La foudre est un phénomène naturel de décharge électrostatique de grande intensité qui se produit dans l'atmosphère, entre des régions chargées électriquement, et peut se produire soit à l'intérieur d'un nuage (décharge intra-nuageuse), soit entre plusieurs nuages (inter-nuageuse), soit entre un nuage et le sol (nuage-sol ou sol-nuage). La foudre est toujours accompagnée d'un ou plusieurs éclairs (émission intense de rayonnement électromagnétique, dont les composantes se situent dans la partie visible du spectre), et du tonnerre (émission d'ondes sonores), en plus d'autres phénomènes associés. Bien que les décharges intra-nuageuses et inter-nuageuses soient plus fréquentes, les décharges nuage-sol présentent un plus grand danger pour l'homme. La plupart des éclairs se produisent dans la zone tropicale de la planète et principalement sur tous les continents. Ils sont associés à des phénomènes convectifs, généralement des orages provoqués par les cumulonimbus.
Certaines théories scientifiques considèrent que ces décharges électriques peuvent avoir été fondamentales dans l'émergence de la vie, en plus d'avoir contribué à son maintien. Dans l'histoire de l'humanité, la foudre a peut-être été la première source de feu, fondamentale pour le développement technique. Ainsi, les éclairs ont éveillé la fascination, étant incorporés dans d'innombrables légendes et mythes représentant le pouvoir des dieux. Des recherches scientifiques ultérieures ont révélé leur nature électrique et, depuis lors, les décharges ont fait l'objet d'une surveillance constante, en raison de leur relation avec les systèmes orageux.
En raison de la grande amplitude des tensions (typiquement, plusieurs dizaines de millions de volts) et des courants électriques (de ) qu'elle propage, la foudre est toujours dangereuse. Ainsi, les bâtiments et les réseaux électriques ont besoin de paratonnerres, des systèmes de protection. Cependant, même avec ces protections, la foudre cause toujours des morts et des lésions dues à la foudre dans le monde entier.
En tant que phénomène de haute énergie, la foudre se manifeste généralement par un chemin extrêmement lumineux qui parcourt de longues distances, parfois avec des branches. Cependant, il existe des formes rares, comme la foudre en boule, dont la nature est inconnue. La grande variation du champ électrique causée par des décharges dans la troposphère peut donner lieu à des phénomènes lumineux transitoires dans la haute atmosphère. La foudre peut trouver son origine dans d'autres événements, tels que les éruptions volcaniques, les explosions nucléaires et les tempêtes de sable. Des méthodes artificielles sont utilisées pour créer des éclairs à des fins scientifiques. La foudre se produit également sur d'autres planètes du Système solaire, en particulier Jupiter et Saturne.
Histoire La foudre est probablement apparue sur Terre bien avant la vie, il y a plus de trois milliards d'années. De plus, les éclairs ont probablement été fondamentaux pour la formation des premières molécules organiques, essentielles à l'apparition des premières formes de vie. Depuis le début de l'histoire écrite, les éclairs fascinent les êtres humains. Le feu que les éclairs produisent lorsqu'ils touchent le sol sert à ceux-ci pour se réchauffer pendant la nuit, en plus de tenir les animaux sauvages à l'écart. L'homme primitif a donc cherché des réponses pour expliquer ce phénomène, créant des superstitions et des mythes qui ont été incorporés dans les premières religions..
Importance biologique vignette|alt=Arbre sans écorce.|La pression de vapeur explosive entre le tronc et l'écorce causée par la foudre a fait exploser l'écorce de ce bouleau. Dès la formation de la Terre, les températures élevées de la croûte terrestre sont responsables de la formation de tempêtes importantes, violentes et permanentes, donnant naissance aux océans. L'eau, au cours de son cycle, transporte avec elle des éléments chimiques, tels que le carbone et l'azote, qui s'accumulent dans les mers primitives. Les rayons ultraviolets et la foudre ont peut-être grandement aidé le processus de combinaison de ces composés inorganiques ainsi qu'à leur transformation en acides aminés, composants essentiels pour l'émergence de la vie.
Les décharges électriques sont la principale source de nitrites et de nitrates, essentiels à la vie des plantes. Les plantes ne sont pas en mesure d'utiliser directement l'azote atmosphérique, elles doivent donc être transformées en d'autres composés azotés. La foudre est responsable de ces réactions chimiques, ce qui maintient le cycle de l'azote.
Les feux de forêt déclenchés par la foudre jouent un rôle essentiel dans l'évolution des plantes, car la consommation de matière sèche et l'élimination d'éventuels ravageurs par le feu sont bénéfiques pour l'environnement. Le processus d'évolution de la vie végétale semble être étroitement lié à l'apparition des incendies, qui favorisent l'émergence de nouveaux gènes. Il est possible que les incendies provoqués par la foudre aient été la première source de feu utilisée par les hommes primitifs, ce qui aurait été l'une des étapes importantes qui ont conduit à l'évolution et à la domination de celui-ci sur son environnement.
Une étude météorologique démontre aussi que la foudre contribue à nettoyer l'atmosphère en produisant des radicaux hydroxyles au sommet du cumulonimbus. Ceux-ci réagissent avec d'autres molécules présentes dans l'air en les oxydant. Le processus capture des composés toxiques dans l'atmosphère, tels que le monoxyde de carbone et le méthane, qui sont considérés comme des gaz jouant un rôle majeur dans le réchauffement climatique et la destruction de la couche d'ozone. Ceci apporte entre 2 % et 16 % de la capacité oxydante de l'atmosphère terrestre..
Recherche scientifique vignette|gauche|redresse=0.7|alt=Dessin de deux hommes près d'une souche d'arbre. L'un, de dos, tient le fil d'un cerf-volant, tandis que l'autre pointe du doigt vers le fil. Entre le fil et le doigt se trouve une petite étincelle.|Représentation de l'expérience de Benjamin Franklin au , sur laquelle des étincelles induites par l'orage sortent du fil conducteur jusqu'à son doigt. Dans les cultures modernes européennes, la première explication scientifique connue est écrite par le philosophe grec Aristote, au , attribuant l'orage à la collision entre deux nuages et la foudre au feu exhalé par ces nuages.. Cependant, les premières études systématiques ne sont conduites qu'en 1752, à Marly-la-Ville, près de Paris, lorsque Thomas-François Dalibard attire des éclairs au moyen d'une haute tige de fer isolée du sol par des bouteilles de verre. Cette expérience prouve la nature électrique de la décharge. Par la suite, de nombreux tests sont effectués. L'un des plus connus est celui de Benjamin Franklin, qui utilise des cerfs-volants et des ballons pour soulever des fils conducteurs, qui engendrent de petits éclairs grâce au champ électrique existant dans les nuages.
Franklin a également démontré que la foudre se manifeste . En outre, le scientifique propose l'utilisation de grandes tiges métalliques pour la protection contre la foudre, qui, selon lui, ferait passer l'électricité silencieusement du nuage au sol. Plus tard, il se rend compte que ces tiges n’influencent pas les charges électriques présentes dans les nuages, mais qu'elles attirent en fait la foudre. Il finit par comprendre que, si les décharges électriques ne peuvent pas être évitées, il peut au moins les attirer à un point où il n'y aurait aucun danger, ce qui est connu sous le nom de paratonnerre. Pour prouver l'efficacité de ses idées, Franklin réunit des centaines de personnes près de Sienne, en Italie, en 1777, à un endroit souvent frappé par la foudre. Après l'installation du paratonnerre, la foule observe la foudre frapper le barreau métallique, sans l'endommager.
En 1876, James Clerk Maxwell propose la création de dépôts pour la poudre noire entièrement enveloppés d'une couche de métal afin d'empêcher la foudre de faire exploser le composé. Lorsque la foudre frappe ce dépôt, le courant électrique reste dans cette couche extérieure et n'atteint pas la poudre. Ce système est connu sous le nom de cage de Faraday. Un système de grille peut également être utilisé ; cependant, plus la distance entre les conducteurs est grande, moins la protection est efficace. Les combinaisons entre le paratonnerre de Franklin et la cage de Faraday sont encore utilisées au pour la protection des structures, en particulier là où se trouvent des appareils électroniques sensibles.
L'apparition de la photographie et de la spectroscopie à la fin du a une grande importance dans l'étude de la foudre. Plusieurs scientifiques ont utilisé le spectre engendré par la foudre pour estimer la quantité d'énergie impliquée dans le processus physique qui se déroule sur une très courte période. L'utilisation de l'appareil photographique permet également de découvrir que la foudre a deux ou plusieurs flux électriques. Le développement de nouveaux appareils tels que les oscilloscopes et les compteurs de champs électromagnétiques au cours du permet une compréhension plus complète de l'origine et de l'occurrence des décharges.
Caractéristiques vignette|alt=Faisceau lumineux prenant son origine dans un nuage, partant horizontalement vers la droite puis piquant vers le sol.|Un éclair partant d'un nuage (cumulonimbus) jusqu'au sol à Dallas, aux États-Unis. La foudre, généralement associée aux orages, est un gigantesque arc électrique d'électricité statique par lequel un canal conducteur se forme et des charges électriques sont transférées. Les éclairs peuvent se produire selon plusieurs types : à l'intérieur des nuages eux-mêmes, entre deux nuages, entre un nuage et l'air, et entre un nuage et le sol. Les points de contact d'un éclair dépendent de la façon dont les charges électriques sont réparties à l'intérieur des nuages..
En général, la répartition des charges dans les cumulonimbus engendre un champ électrique intense. Au sommet du nuage, qui est aplati et s'étend horizontalement, des charges positives s'accumulent dans les petits cristaux de glace provenant des courants de convection. Au centre, généralement dans une plage où la température est comprise entre −20 et , les charges négatives sont en surabondance. Les dipôles formés valent chacun des dizaines de coulombs, séparés les uns des autres de quelques kilomètres verticalement. À la base du nuage se forme généralement une petite région de charges positives, dont la charge ne vaut que quelques coulombs. Dans les tempêtes plus développées, la distribution électrique est beaucoup plus complexe.
Charge des nuages vignette|alt=Dessin d'un nuage sur lequel les charges électriques sont représentées. En haut du nuage se trouvent les charges positives, représentées par des plus, tandis que des moins représentent les charges négatives au milieu et vers le bas du nuage. Une couche de charges positives se trouve également au bas du nuage, sous les charges négatives.|gauche|Exemple de distribution des charges électriques dans un nuage. Pour qu'une décharge électrique se produise, l'intérieur du nuage doit comporter un champ électrique important, qui provient du changement de la répartition des charges, électrisant le nuage. On ne sait pas exactement comment ce phénomène se produit, bien que certains concepts et prémisses de base aient été théorisés. Les modèles d'électrification sont divisés en deux modèles, convectifs et collisionnels.