Effets de la foudre sur la tour Eiffel


Evidemment, la foudre a frappé un nombre incalculable de fois la tour Eiffel, mais c'est à chaque fois les paratonnerres qui sont touchés, et heureusement car sinon, les dégâts seraient considérables, y compris les blessures humaines. Mais comme des paratonnerrres ont été disposés tout autour du sommet il n'y a pas de danger particulier à ce sujet. Avant de voir ce qu'il en est plus en détail, citons l'observation faite le 19 août 1889 de Mr Foussat, chef de service électrique de la tour.

Vers 9 heures et demie du soir, un vent très violent soufflait du nord-ouest accompagné d'une pluie fine. Rien ne faisait soupçonner la présence d'un orage, quand tout à coup un éclair immense a sillonné les nues et frappé avec un bruit épouvantable le paratonnerre, qui se trouve au sommet de la Tour, au-dessus du phare ; la Tour métallique a résonné sous ce coup comme un diapason, et la vibration a duré plusieurs secondes. Au moment de la décharge, quelques gouttelettes de fer en fusion sont tombées, provenant probablement de la fusion de la tige du paratonnerre, qui momentanément était dépourvue de sa pointe. Le bruit de cette décharge disruptive a imité celle de deux petites pièces d'artillerie tirées à intervalle inappréciable, mais cependant distinct à l'oreille. Le gardien du phare n'a ressenti aucune commotion, pas plus que les trois personnes qui se trouvaient sur la plate-forme des projecteurs. Depuis quelques jours, il avait été installé huit paratonnerres autour de la plate-forme des projecteurs ; l'extrémité de ces paratonnerres est constituée par un faisceau de tiges minces en cuivre surmonté d'une tige qui s'avance de quelques centimètres en avant du faisceau. Ces paratonnerres ont parfaitement rempli leur rôle ; les nuages, en passant, se déchargeaient, produisant des décharges dites silencieuses, mais qui, en réalité, sont crépitantes et rappellent l'effet produit par un court circuit rapide, effet bien connu des électriciens.

Prise de terre de la tour Eiffel

Il faut savoir qu'au moment de la construction de la tour une commission spéciale composée de Mr Becquerel, membre de l'Institut, de Mr Mascart, membre de l'Institut et directeur du Bureau central météorologique, et de Mr Georges Berger, président honoraire de la Société Internationale des électriciens, avait indiqué les mesures spéciales à prendre pour protéger la Tour contre l'action de la foudre. Ce rapport indiquait ceci :

« La Tour de 300 m pourra jouer le rôle d'un immense paratonnerre protégeant un très large espace autour d'elle, à condition que sa masse métallique soit en communication parfaite avec la couche aquifère du sous-sol par le moyen de bons conducteurs. Grâce à ces précautions, l'intérieur de l'édifice, avec les personnes qui s'y trouveront abritées, sera absolument assuré contre tout accident pouvant provenir des coups de foudre fréquents qui frapperont infailliblement les parois de la Tour à différentes hauteurs. Pour réaliser la non-isolation de la Tour dans les meilleures conditions, on noiera dans la couche aquifère des conducteurs métalliques à grande section, émergeant du sol et mis en communication avec les parties métalliques basses de la Tour, au moyen de câbles, de barres ou de lames de cuivre à grandes sections. »

Bien sûr ces préconisations ont été suivies par le constructeur, il ne fallait pas jouer avec la sécurité à cette époque. Nous ajouterons seulement, au point de vue des paratonnerres, que celui qui surmonte le campanile est du système Melsens; il est terminé par trois pointes inclinées de 1,50 m de longueur et il a une longueur totale de 10,79 m. On a en outre disposé sur le balcon supérieur de la plate-forme, à raison de deux par face, huit paratonnerres inclinés de même type.

Il était essentiel de s'assurer que les prises de terre répondaient bien au but que l'on s'était proposé. Une première détermination de cette résistance a été faite en janvier 1889 par Mr G. Borrel. La méthode employée a été celle du pont de Wheatstone, modifiée par Mr E. Guérin, capitaine à la section technique de l'artillerie. La plus grande résistance trouvée est de 4,125 ohms (terres de la pile 3) et la moindre 1,05 ohms (terres de la pile 4). La valeur maximum que doit présenter la résistance d'une bonne terre de paratonnerre étant admise à 15 ohms, on reconnaîtra donc que la terre la plus résistante est 3 fois et demi plus petite que la limite indiquée, c'est-à-dire que ces prises de terre sont dans les meilleures conditions.

En août 1889, Mr A. Terquem, chef d'escadron d'artillerie, a fait de nouvelles expériences très précises sur la conductibilité électrique de la Tour et de ses prises de terre; elles sont relatées dans une note présentée à l'Académie des Sciences le 2 décembre 1889, qui est reproduite en entier, en raison de son intérêt, et qui résume tout ce qui peut être dit à ce sujet :


Conductibilité électrique, par A. Terquem

La Tour Eiffel étant la première construction en fer d'aussi grande dimension dans le sens vertical, et devant, en raison de sa forme, subir de la part de l'électricité atmosphérique une action considérable, il a paru intéressant de vérifier, par des mesures précises, les conditions de sa conductibilité propre et de ses liaisons avec la terre. La Tour est munie actuellement de neuf paratonnerres, surmontés d'une aigrette de pointes et reliés directement à la charpente en fer qui fait l'office de conducteur; on a pensé que cette charpente, assemblée au moyen d'innombrables rivets placés a chaud et en réunissant les diverses parties avec une pression très considérable, formerait une masse aussi conductrice que si l'on avait eu recours aux soudures habituelles.

Lea prises de terre, destinées a assurer la liaison avec le sol, sont au nombre de huit, par groupe de deux pour chaque pile ; pour les piles Nord et Ouest, ce sont des tubes en fonte, de 20 cm de diamètre, descendant verticalement, à 12 m environ au-dessous de la surface du sol à la cote de 20 m : pour les piles Est et Sud, ce sont de gros tubes de 50 cm de diamètre, descendant verticalement d'abord, puis se recourbant à angle droit sur une longueur moyenne de 18 m ; ils sont enfouis dans les alluvions de la Seine, à la cote 20 m. Provisoirement, les perd-fluides sont réunis à la Tour par des cables en fer et des bandelettes en fer feuillard, appliquées sur les charpentes.

On s'est servi pour la mesure des conductibilités, une première fois d'un pont de Wheatstone, construit par Mr Gaiffe pour la vérification des paratonnerres des magasins et poudre; la seconde fois, on a opéré simultanément avec un autre appareil du même constructeur, muni d'un galvanomètre à réflexion du type Deprer et d'Arsonval, qui permet un emploi commode de la méthode de Mance.

La détermination de la résistance d'une prise de terre exige trois expériences et deux prises de terre auxiliaires, dont on mesure la somme des résistances deux à deux. Les trois inconnues sont données par trois équations du premier degré.

Dans l'espèce, il a suffi de combiner deux à deux les prises de terre de la Tour elle-même.

Pour mesurer la conductibilité de la Tour, la cible de transmission du phare et des projecteurs a été isolé d'abord des appareils et mis en communication avec la base du paratonnerre central ; on a ensuite relié la base du cable à une charpente de là pile Ouest aux deux bornes du pont, la Tour fermant le circuit. La résistance, mesurée plusieurs fois, a été trouvée égale au degré d'approximation des appareils, à la résistance des cibles qui avaient servi aux connexions. La résistance de la Tour est donc négligeable.

Pour mesurer la résistance des perd-fluides, on les a isolés de la Tour dans les piliers Est, Sud et Ouest, et l'on a obtenu, pour trois d'entre eux :

  • E1 = 0,3 Ω
  • S1 = 0,3 Ω
  • S1 = 3,2 Ω

Dans la deuxième série d'expériences, on a isolé les perd-fluides N1 et N2 de la pile Nord, en prenant comme troisième terre la Tour T à la base de la pile Est. La méthode du pont avec le premier appareil Gaiffe et la méthode de Mance avec le second appareil ont donné :

  • T = 0,1 Ω
  • N1 = 0,9 Ω
  • N2 = 1,1 Ω
  • T = 0,15 Ω
  • N1 = 1,5 Ω
  • N2 = 1,35 Ω

Pour la méthode de Mance, la pile employée était composée de deux éléments au sulfate acide de bloxyde de mercure, pile très constante et n'ayant que 1,9 Ω de résistance. On a enfin isolé le perd-fluide E2 de la pile Est en le comparant aux deux perd-fluides de la pile Nord; les expériences ont donné :

  • E1 = 0,2 Ω
  • N1 = 1,1 Ω
  • N1 = 1,3 Ω

Il semble qu'il peut être conclu de ces expériences, faites à deux mois d'intervalle, dans des conditions variées comme méthode et comme appareils, que la concordance des résultats obtenus offre de sérieuses garanties d'exactitude.

La Tour elle-même doit être considérée comme un assemblage de charpentes parfaitement en contact les unes avec les autres, formant un conducteur de résistance inappréciable; sa liaison avec le sol, au moyen de huit perd-fluides et des canalisations, est excellente, puisque la résistance n'a été trouvée que de 0,1 Ω ou 0,15 Ω au plus pour une seule pile.

Les perd-fluides des piliers Est et Sud, qui offrent une très grande surface enfouie dans les alluvions de la Seine, n'ont que très peu de résistance, 0,3 Ω; quant aux perd-fluides des piliers Nord et Ouest, si leur résistance est plus forte, 1,1 Ω et 3,2 Ω, c'est sans doute parce que leur surface est beaucoup moindre et qu'ils traversent les caissons en béton formant les assises de la Tour.

En résumé, nous pensons que l'ensemble des paratonnerres de la Tour Eiffel, établi suivant les savantes indications de MM. Becquerel, Berger et Mascart, peut être considéré comme très parfait, et qu'il est de nature à exercer sa protection dans un rayon considérable


Variation diurne de l'électricité atmosphérique

Mr A-B. Chauveau a fait d'importants travaux sur cette variation, ils sont reproduits dans un mémoire qui ont été présenté au Congrès météorologique de Chicago (août 1893) et dans deux communications à l'Académie des Sciences (26 décembre 1893 et 25 septembre 1899); nous reproduisons celle-ci ici :


Conditions des essais

Une série d'observations sur l'électricité atmosphérique au sommet de la Tour Eiffel a été organisée par le Bureau central météorologique, avec le concours du Conseil municipal de Paris. La prise de potentiel est faite suivant la méthode indiquée par lord Kelvin, à l'aide d'un mince filet d'eau jaillissant de l'extrémité d'un tube horizontal, à 1,60 m en dehors de la Tour. Le bassin métallique, constituant le réservoir d'eau, repose sur trois tubes de verre scellés dans une couche de soufre et noyés dans une masse épaisse de paraffine. Ainsi fait, l'isolement ainsi obtenu est au moins l'équivalent de celui que donnent les meilleurs supports à acide sulfurique, mais sous cette condition absolue que la surface de la paraffine reste nette de toute poussière. Très aisément réalisable à l'altitude de 300 m, où l'air ne renferme plus que fort peu de matières solides en suspension, cette condition est un obstacle sérieux à l'emploi de la paraffine pour des observations continues au voisinage du sol. Le tout est enfermé dans une boite en chêne et placé à l'altitude de 285 m, sur l'extrémité de l'un des quatre arceaux (arceau Ouest) qui soutiennent la lanterne du phare.

L'enregistreur photographique est un cylindre de Hichard, monté horizontalement et tournant à l'intérieur d'une enveloppe métallique, dans laquelle une fente étroite est percée suivant une génératrice. Le papier photographique est enroulé sur le cylindre, la face sensible appliquée sur le métal, de telle sorte que ce soit le dos de la feuille qui se présente à l'impression lumineuse.

Dans les conditions que nous venons d'indiquer, c'est-à-dire à 1,00 m environ de la surface la Tour, le potentiel est fréquemment supérieur à 10 000 volts. Or, l'électromètre à quadrants, an moins sous sa forme ordinaire, ne parait pas se prêter à la mesure des potentiels élevés. La déviation de l'aiguille à une valeur limite, variable avec la sensibilité de l'appareil, mais correspondant toujours à une même valeur du potentiel qui est d'environ 3 000 volts.

Pendant une première série d'expériences faites à la fin de 1893, on avait dû, pour rester dans la limite des potentiels mesurables, réduire à 40 cm la longueur du tube d'écoulement. Mais, à cette altitude, les surfins de niveau sont extrêmement serrées au voisinage de la Tour; aux plus légères variations dans la longueur du jet (provenant de l'action du vent par exemple) correspondent des variations considérables dn potentiel observé et les courbes obtenues sont trop tourmentées pour pouvoir être dépouillées avec certitude.

A défaut d'un instrument qui ne paraît pas avoir été réalisé jusqu'ici sous une forme appropriée aux observations d'électricité atmosphérique, nous avons pu, par un artifice fort simple, utiliser l'électromètre à quadrants pour la mesure de très hauts potentiels, tout en restant dans les limites ordinaires de la sensibilité de cet appareil. Il suffit, pour cela, de placer, entre la source et l'électromètre, une cascade de petits condensateurs bien isolés. En faisant varier le nombre des é éléments de la cascade, on peut donner à l'aiguille telle fraction que l'on veut du potentiel primitif.


Les résultats

Les observations faites par ce procédé en 1893 ont été poursuivies sans interruption depuis le 1er mai jusqu'au 2 novembre, et forment deux séries. La première, qui s'étend du 1er mai au 20 août, nous a fourni cinquante-huit journées utilisables, caractéristiques du régime d'été. Nous en donnons ici le résumé, sous forme de graphique, et nous y joignons la variation diurne observée pendant la même période au Bureau central météorologique.

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De la comparaison de ces courbes, il résulte d'abord que, pour l'électricité atmosphérique comme pour la tension de la vapeur d'eau, la variation diurne se simplifie quand on s'éloigne du sol. Tandis qu'aux faibles altitudes on observe invariablement une oscillation double dans la valeur du potentiel, celle-ci ne présente plus qu'un maximum et un minimum au voisinage du sommet de la Tour Eiffel.

Le minimum du matin se produit exactement à la même heure (4 heures) à la Tour et au Bureau ; il précède de fort peu l'heure du lever moyen du soleil pendant la période considérée.

Le maximum du soir, à la Tour, a lieu à 6h30; il est en avance de 1h15 sur le maximum observé au voisinage du sol.

Enfin, les deux courbes mettent nettement en évidence l'existence d'un maximum relatif au milieu du jour, vers 1 heure ou 2 heures de l'après-midi. Cette oscillation secondaire, signalée autrefois par Mr Mascart dans les observations du Collège de France, constatée à Greenwich et à Perpignan, n'a pas été retrouvèe à Lyon. Elle parait hors de doute, quelle que soit l'altitude pour le climat de Paris.

Ces observations, poursuivies pendant huit ans, forment aujourd'hui une série assez étendue pour que les données qui s'en déduisent présentent un caractère suffisant d'exactitude. J'indique ici les résultats de ces recherches, relatifs à la variation diurne du potentiel en un point déterminé de l'atmosphère.

Il existe, dans nos régions tempérées, deux types très différents de la variation diurne au voisinage du sol l'un correspond à ta saison chaude, l'autre à la saison froide.

Pendant l'été, un minimum très accusé se produit aux heures chaudes du jour et constitue le minimum principal toutes les fois que le point exploré n'est pas suffisamment dégagé de l'influence du sol, des arbres ou des bâtiments voisins. L'oscillation diurne est double; c'est la loi généralement admise pour celte variation.

Pendant l'hiver, le minimum de l'après-midi s'atténue ou disparaît, tandis que le minimum de nuit s'accentue davantage. Considérée dans son ensemble, l'oscillation parait simple, avec un maximum de jour et un minimum vers 4 heures du matin. Ce caractère est d'autant plus net que le lieu d'observation est plus dégagé.

Cette distinction des deux régimes d'hiver et d'été au voisinage du sol est confirmée par l'examen des résultats obtenus, d'une part à Sodankyla (Finlande) par la mission dirigée par Mr Lemstrom (1883-1881), de l'autre à l'observatoire de Batavia (1887-1895). Chacune de ces stations donne, pour ainsi dire, le type exagéré de la variation constatée dans nos climats, soit pendant la saison froide, soit pendant la saison chaude.

La variation diurne au sommet de la Tour Eiffel, pendant l'été, entièrement différente de la variation correspondante au bureau central, offre la plus frappante analogie avec la variation d'hiver.

Ce même type d'hiver se retrouve, moins accentué, mais parfaitement net, dans la moyenne fournie par trois mois d'observations, pendant l'été de 1898, sur le pilone de l'observatoire de Trappes (attitude 20 m). Il apparaît donc comme caractérisant la forme constante de la variation diurne en dehors de toute influence du sol.

Au contraire, dans les stations où le collecteur est dominé par des constructions ou des arbres voisins, le type correspondant au régime d'été s'exagère ; le minimum de l'après-midi se creuse au détriment du minimum de nuit, qui par fois disparaît. L'oscillation peut être simple, mais en sens inverse de l'oscillation d'hiver, c'est-à-dire avec un minimum de jour et un maximum de nuit. Cette forme anormale de la variation diurne, constatée autrefois par Mr Mascart, résulte en effet des observations du Collège de France, mais pour la saison d'été seulement. On la retrouve encore, presque identique, à Greenwich, où le collecteur est placé dans des conditions aussi défavorables.


Conclusions des essais

On peut conclure de ce qui précède :

  1. Qu'une influence du sol, maximum pendant l'été, et dont le facteur principal, suivant les idées de Peltier, est peut-être la vapeur d'eau, intervient comme cause perturbatrice dans l'allure de la variation diurne
  2. Que la loi véritable de cette variation, celle dont toute théorie, pour être acceptable, doit rendre compte, se traduit par une oscillation simple, avec un maximum de jour et un minimum (d'ailleurs remarquablement constant) entre 1 heures et 5 heures du matin.


Voir aussi :

. Applications scientifiques de la tour Eiffel

. Tous les phénomènes naturels sur la tour Eiffel


La tour Eiffel

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