Paratonnerre

« La Tour Eiffel, paratonnerre géant. »
Photographie prise à 21h20 le 3 juin 1902 et publiée dans le Bulletin de la Société Astronomique de France en mai 1905.

Paratonnerre, avec mise à la terre (ou à l'eau)

Les points hauts tels que les cheminées sont souvent choisis comme support de paratonnerre

Paratonnerre contemporain (Lille, Nord de la France)

Le paratonnerre est un dispositif inventé en 1752 par Benjamin Franklin. Il était conçu à l'origine afin d'« écouler à la terre le fluide électrique contenu dans le nuage orageux et ainsi empêcher la foudre de tomber ». Depuis ces notions portent le nom d'effet de pointe en électrostatique et de cage de Faraday. Pour construire une protection contre la foudre, il faut construire une cage de Faraday enveloppant l'édifice à protéger.

Principe de fonctionnement

Son fonctionnement est aujourd'hui mieux connu. La structure d'un paratonnerre est composée d'une tige placée en hauteur puis connectée à la terre par un ou plusieurs éléments métalliques appelé(s) conducteur(s) de descente capable(s) de conduire cette électricité : ces conducteurs peuvent faire partie de la cage de Faraday.

Le paratonnerre n'attire absolument pas la foudre mais rend plus probable grâce à l'effet de pointe le parcours d'un claquage du diélectrique que constitue l'atmosphère. Ce claquage suit un parcours souvent initié par un précurseur.

Différents types de paratonnerres existent mais les trois plus courants sont : la pointe simple (dite pointe de Franklin), le paratonnerre à dispositif d'amorçage (PDA) et la cage maillée (cage de Faraday).

Dans le cas de la cage maillée, le système de protection est constitué de plusieurs pointes, couvrant toute la toiture et les arêtes du bâtiment à préserver. Les pointes sont reliées entre elles par des filins conducteurs interconnectés, reliés à la terre et formant une cage (dite cage de Faraday). Il est inutile de l'élever très haut.

Dans le cas de la pointe simple ou du PDA (le PDA sera expliqué plus bas dans le texte) le système de protection est constitué outre l'organe de capture d'une ou deux descentes associées chacune à une prise de terre.

• La pointe d'une tige est entourée d'un champ électrique en période orageuse. Si l'arc électrique (l'éclair) se dirige vers l'une des pointes, alors il finira sa course dans les câbles de descente (au lieu de passer par le bâtiment).
• Une pointe unique a une utilité réduite, car rien ne garantit que l'éclair tombera à cet endroit : il existe des témoignages nombreux confirmant que la foudre peut tomber juste en dessous ou à côté d'un paratonnerre, dégradant ainsi le bâtiment supposé être protégé.

Zone protégée

Le modèle actuellement reconnu pour évaluer la zone protégée est le modèle électrogéométrique. Il consiste à considérer qu'un bâtiment (quelle que soit sa hauteur, qu'il soit ou non équipé d'un paratonnerre) n'est protégé que sous une sphère qui y est accolée. Autrement dit, on prend une boule (sphère) géante et imaginaire que l'on fait rouler jusqu'au contact contre le bâtiment.

• L'espace situé en dessous du point de contact est supposé protégé.
• La taille de la boule (rayon de la sphère) dépend de l'intensité de l'éclair dont on espère se protéger (de 5 mètres seulement pour un petit choc, à 200 mètres pour des chocs très rares et intenses).
• Vu sous un autre angle, seuls les gros chocs de foudre seront attirés par les hauteurs du bâtiment ou les pointes de paratonnerres.
• Potentiellement, le bas d'un bâtiment risquera toujours un éventuel choc de foudre. Donc la foudre peut tomber partout (même entre deux pieds de la tour Eiffel).
• En s'éloignant du bâtiment, aucune protection particulière n'est constatée. L'idée que la pointe du clocher protège tout le village est à oublier.
• Cela implique aussi qu'il n'est pas très utile d'élever démesurément les paratonnerres ni très malin de tout miser sur eux.

Enfin, ce modèle n'a été observé que pour les décharges négatives (90 % des cas), aucune réelle protection n'étant constatée avec les chocs positifs (10 % des cas).

Conclusion : la notion de « zone protégée » connue culturellement est à relativiser fortement.

Intérêt et limite de la protection

Il est rare de subir un choc direct de foudre. Le plus souvent, les dégradations et pannes sont causées à distance par l'onde magnétique, car un éclair dégage une onde très puissante. C'est cet effet indirect qui est responsable de la majorité des pannes électriques ou électroniques.

• Cela implique qu'un paratonnerre ne protège en rien les matériels électroniques (au contraire, si l'éclair touche il tombe au plus près des appareils).
• Toutefois, s'il y a plusieurs conducteurs de descente vers la terre, il peut y avoir en prime un effet réducteur de l'onde magnétique (à l'intérieur du bâtiment).
• L'objectif d'un paratonnerre est seulement d'éviter des incendies et des dégradations de la structure du bâtiment.
• Il est important d'avoir plusieurs conducteurs de descente (capables d'écouler le choc de foudre) et bien positionnés. Ces conducteurs doivent être reliés aux masses métalliques proches pour éviter des arcs électriques : à l'instant du choc, deux extrémités d'un même câble ne sont plus au même potentiel (il peut y avoir plusieurs milliers de volts d'écart).

Autres protections

Pour les constructions individuelles, les spécialistes en CEM (compatibilité électromagnétique) connaissent des techniques simples, efficaces et peu coûteuses sur les façons de câbler l'installation électrique pour protéger les matériels. Ces conseils font souvent partie des normes actuelles, en particulier pour des constructions nouvelles:

• liaison équipotentielle,
• absence de boucles sauf sur les masses,
• Recâbler le réseau électrique est plus efficace qu'un paratonnerre pour protéger les matériels.

Pour protéger également le bâtiment, il faut un paratonnerre à plusieurs pointes ou la pose d'une ceinture conductrice sur les arêtes du bâtiment. Cela est contraignant et peu esthétique dans le cadre d'une habitation individuelle. La pose est donc essentiellement rencontrée en milieu industriel. Il est en revanche conseillé de poser une pointe au point d'impact si le bâtiment a déjà été touché par un choc direct.

La bonne nouvelle : il est possible, mais très rare d'être touché directement par la foudre, que le bâtiment soit ou non « protégé ». Par contre, lutter contre les effets indirects (électromagnétiques) est prioritaire car il y a régulièrement des orages.

Attention à ne pas confondre les paratonnerres (dont il est question dans cet article et qui tentent de protéger la structure d'un bâtiment) avec les parafoudres (qui eux protègent les appareils électriques). Les parafoudres sont des protections (efficaces si bien câblées) à faire poser sur le circuit électrique, justement pour se protéger des surtensions induites.

Paratonnerres à pointe active

Il s'agit de paratonnerres équipés sur leur pointe d'un dispositif visant à accroître la zone de protection.

Paratonnerres radioactifs

Dès 1914, le physicien hongrois Béla Szilárd (rien à voir avec Léo Szilard) propose de renforcer l'ionisation naturelle autour des installations de protection foudre avec des sources radioactives placées à proximité de la pointe des paratonnerres. L'idée aboutit à la commercialisation de paratonnerres radioactifs, plus simplement surnommés parads. Les doutes sur la validité du procédé, compte tenu de la difficulté de prouver son efficacité, émergèrent dans les années 70 et conduisirent de nombreux pays a les interdire à partir des années 1980. En 1985 en Belgique, et 1^er janvier 1987 pour la France. Conscientes du risque de dissémination des radioéléments (radium 226 et américium 241), les Autorités interdirent leur fabrication, leur vente et leur installation. Les parads ayant une activité de quelques dizaines de MBq pour les émetteurs alpha, pouvant atteindre 1 GBq pour d'autres^[1].

Il est fréquent d'en trouver sur les toits ou les clochers; notamment en France et dans ses anciennes colonies. Selon les sources officielles (ASN, IRSN, ANDRA, INAPARAD) il y en resterait environ 40.000 pour le seul territoire français. Pourtant, vieillissants et souvent en mauvais état, ils peuvent menacer la santé du Public et l'environnement.

Après démontage ou chute accidentelle, ils sont considérés par l'Agence nationale pour la gestion des déchets radioactifs (Andra) comme étant des déchets radioactifs de faible activité à vie longue (FA-VL).

L'arrêté du 15 janvier 2008 impose leur retrait des ICPE (installations classées pour la protection de l'environnement) avant le 1^er janvier 2012^[2]. La dépose et le transport de ces sources radioactives ne peut être réalisées que par les entreprises agrées par l'Autorité de Sûreté Nucléaire (ASN). Pour obtenir son agrément, les entreprises doivent disposer de locaux d'entreposage provisoire sécurisés et d'un personnel spécialement formé aux techniques de radioprotection (Personnel Compétant en Radioprotection - PCR -)

En Belgique, l'installation de parads est interdite depuis 1985; l'AFCN a lancé une opération de récupération de ces sources orphelines en 2003. Leur nombre était estimé à plusieurs milliers en Belgique^[3].

Depuis le 11 mars 2011 un site Internet d'intérêt collectif réalise l'inventaire et la localisation des dizaines de milliers de parads disséminés sur le territoire français. Il fait notamment appel à la mobilisation citoyenne des internautes. L'Inventaire National des Paratonnerres Radioactifs^[4] fonctionne en concertation avec l'Autorité de sûreté nucléaire (ASN), l'Institut de radioprotection et de sûreté nucléaire (IRSN), l'Agence nationale pour la gestion des déchets radioactifs (ANDRA)^[5] et avec le soutien de la Commission de recherche et d'information indépendantes sur la radioactivité (CRIIRAD), du réseau Sortir du nucléaire^[6] et de l'Association de Contrôle de la Radioactivité dans l'Ouest (ACRO^[7]).

Paratonnerres à dispositifs d'amorçage

Il n'en reste pas moins que l'amélioration du paratonnerre de Franklin consiste à « créer une ionisation nettement supérieure à celle qui résulte de l'effet couronne spontané ou à maîtriser cet effet couronne pour optimiser sa production »^[8].

Sur cette base, les Paratonnerres à Dispositif d'Amorçage (PDA) ont fait leur apparition en 1984 en France puis en Espagne qui furent également les premiers pays à adopter des normes spécifiques (NF C 17 102 en France, UNE 12 186 en Espagne). Aujourd'hui, ce type de paratonnerres est proposé par un large nombre de fabricants (américains, chinois, australiens, argentins, turcs, indonésiens, etc.).

Ces dispositifs à pointes actives reposent sur la théorie « de l'avance à l'amorçage » : le dispositif d'amorçage permet d'accroître la distance d'amorçage en générant un traceur ascendant précoce (par rapport au traceur ascendant naturellement émis par une pointe simple) et ainsi la zone de protection du paratonnerre. « L'analyse du développement des traceurs ascendants, effectuée avec le convertisseur d'image, met clairement en évidence une avance à l'amorçage des traceurs, lorsque le dispositif auxiliaire est en fonctionnement »^[8].

Cependant l'efficacité de tels dispositifs reste discutée : après la publication en 2001 par l'INERIS ^[9] soulignant le manque de relation entre cette avance à l'amorçage et la zone de protection (la zone de protection n'étant pas testable expérimentalement, les valeurs annoncées par les normes ou les fournisseurs ne sont pas vérifiables), une enquête réalisée en France par l'IPSOS auprès des installations industrielles classées pour l'environnement (ICPE) démontre des niveaux de satisfaction équivalents pour les sites équipés de pointes simples (40,7% des sites SEVESO français), de PDA (36,2% des sites) et les cages maillées (26,5% des sites)^[10]. Les recherches dans le domaine de la foudre montrent par ailleurs qu'aucune démonstration scientifique ne peut valider la solution technique retenue (PDA ou cage maillée). Rappelons le véritable intérêt d'un paratonnerre : il s'agit surtout, au cas où la foudre passerait, par hasard, à proximité et risquerait de toucher le bâtiment, de capter et écouler la décharge dans les conducteurs de descente et ainsi de préserver la structure du bâtiment.

Vocabulaire

L'analyse du terme 'paratonnerre' semble indiquer qu'il s'agit d'un dispositif contre le tonnerre. Or le tonnerre est le mot qui désigne le craquement généré par la foudre, dû à l'expansion de l'air qui est chauffé très rapidement. Le paratonnerre ne protège pas contre le tonnerre, mais contre la foudre elle-même. On ne peut cependant utiliser le terme parafoudre, déjà utilisé pour décrire un dispositif contre les surtensions.

Voir aussi

Liens internes

• Jacques de Romas qui vérifia en France le principe du cerf-volant de Franklin dès 1757.
• Procopius Divisch, qui construisit le premier paratonnerre d’Europe en 1754.
• Foudre
• Clocher

Liens externes

• (fr) Inventaire national des paratonnerres radioactifs
• (fr) Page de l'Andra dédiée à la reprise des paratonnerres radioactifs

Bibliographie

Notes et références

• Portail de l’électricité et de l’électronique