SYSTEME DE LOCALISATION DE LA FOUDRE

Le réseau LIFT

Electricité De Tahiti est la société qui produit et distribue l'électricité à Tahiti. Elle rencontre de sérieux problèmes liés à la foudre en particulier au niveau d'une ligne haute tension qui relie les centrales hydrauliques de l'intérieur de l'île et la centrale thermique située sur la côte ouest. En période de pluies, les centrales hydrauliques fournissent toute l'énergie et la centrale thermique est désactivée. Lorsque la ligne HT est endommagée, la réactivation de la centrale thermique est très longue, ce qui entraîne une situation de black out prolongé. La protection totale et idéale contre la foudre est une notion peu réaliste. La prévention basée sur la détection et sur des études statistiques est une alternative souvent plus intéressante. En 2003, j'ai proposé à EDT de monter un système de détection des orages à faible coût qui serait capable de prévoir tout risque élevé d'orage sur l'île, l'objectif étant de redémarrer la centrale thermique lorsque la probabilité de foudroiement dépasse un certain seuil. J'ai construit un réseau de localisation de la foudre en temps réel (Localisation des Impacts de Foudre à Tahiti, LIFT), adapté à la configuration de notre île, à l'aide de détecteurs commercialisés et relativement bon marché, BOLTEK®. Ces détecteurs sont vendus pour fonctionner seuls. Le système utilise un capteur magnétique capable de déduire l'azimut du lieu de la foudre ou des éclairs dont le principe est bien connu. Connecté à une carte d'acquisition, le détecteur imprime à l'écran le lieu des impacts de foudre grâce à un logiciel. Les points sont superposés sur une carte de la région (»300 km de rayon autour du lieu d'implantation du détecteur). J'ai testé un de ces détecteurs sur une saison et j'ai pu évaluer son efficacité en comparant les impacts aux images satellites infra rouge qui renseignent sur l'emplacement des convections profondes, sources probables d'orage. Si les directions sont cohérentes avec les images satellites, les distances, déduites des amplitudes des signaux enregistrés, sont trop approximatives. Ce système ne peut donc pas être utilisé comme système de prévention fiable.

J'ai alors proposé de construire un réseau de trois de ces capteurs magnétiques et de localiser par triangulation (Figure 8).

Figure 8 : a) Réseau LIFT; emplacement des 3 détecteurs Boltek; principe de la triangulation et définition de la surface S b) Coup nuage sol avec une tortuosité particulièrement développée (Christian Durocher, Tahiti)

Cette opération m'est apparue faisable dans la mesure où la compagnie Boltek fournissait les pilotes de sa carte et que EDT disposait d'un réseau interne de communication. Toute la partie informatique, lecture des cartes d'acquisition Boltek, construction et gestion du réseau, s'est faite dans le cadre d'un stage de 5^ème année d'école d'ingénieur de 2 étudiants, Nicolas Lange et Jérôme Oufella, que j'ai encadrés avec la collaboration de Dominique Lelouard de EDT. Le réseau se compose de trois PC, un pour chaque antenne et fonctionne en mode Maître-esclave. La mise à l'heure est réalisée par GPS.

Chaque capteur contient 2 bobines croisées à travers lesquelles la variation du flux du champ magnétique rayonné par la foudre induit 2 tensions dont le rapport des amplitudes est proportionnel à la tangente de l'azimut. Un réseau de trois capteurs avec une résolution temporelle suffisante permet, par triangulation, de localiser correctement les sources électromagnétiques. Ce type de détecteur est assez bien connu mais il introduit des erreurs systématiques dues, entre autre, aux réflexions des objets métalliques environnants. Le problème de la tortuosité, du branchement (plusieurs canaux de foudre) et des réflexions ionosphériques (sky waves) introduit également des erreurs. Pour palier à ce problème, les systèmes modernes utilisent des détecteurs magnétiques à large bande passante (au delà du MégaHertz) afin d'enregistrer correctement le front et la valeur crête du signal magnétique. Dans ces conditions, le signal mesuré correspond à l'émission du bas du canal de foudre qui est généralement rectiligne. Le problème des réflexions ionosphériques et de la tortuosité est alors réglé mais toujours pas celui du branchement. Le système d'acquisition Boltek présente une bande passante étroite, dans les très basses fréquences (autour de 50 kHz), domaine de fréquence qui correspond au maximum d'énergie rayonnée. L'antenne détecte les éclairs sur de longues distances mais l'azimut mesuré présente une grande erreur (inclinaison du canal + superposition des réflexions ionosphériques). D'autre part, l'utilisation des infrastructures d'EDT a imposé l'emplacement des antennes. Je n'ai pas pu éviter la proximité d'objets métalliques sources de réflexions et donc d'erreur également.

Fonctions de correction

LIFT fonctionne depuis février 2004. La localisation n'était pas satisfaisante. Cependant, l'accumulation des données pendant toute l'année 2004 m'a permis de proposer deux algorithmes de correction qui rendent le système efficace [8, 28]. Dans un premier temps je considère les localisations fournies par WWLL comme exactes. Je peux donc définir l'erreur que commet chaque détecteur en comparant l'azimut mesuré q_L (matérialisé en rouge sur la Figure 9a) et l'azimut "réel" q_W (en vert sur la même Figure). Le Figure 9b représente la distribution des erreurs Dq=q_W-q_L pour un détecteur en fonction de son azimut. J'utilise une série de Fourier de la fonction 2q_L pour obtenir une première correction. La Figure 9c, montre qu'après cette correction l'erreur est aléatoire mais elle reste importante.

Figure 9 : a) définition des angles q_L en rouge et q_W en vert; b) Erreur de l'antenne n°1 Dq; c) Résidus de l'erreur après correction par la série de Fourier

J'applique alors une deuxième correction. Le calcul de l'azimut à partir du rapport des deux tensions induites suppose un champ magnétique parfaitement horizontal. L'existence d'une composante verticale au niveau de l'antenne induit une erreur sur le calcul de q_L. J'introduis une composante d'inclinaison variable, je calcule l'erreur sur la mesure, recalcule la triangulation et la surface S du triangle formé par l'intersection des trois vecteurs (Figure 8). Par une itération sur les paramètres de l'inclinaison (3 angles en l'occurrence) je cherche la solution qui minimise la surface S de chaque triangulation.

Comparaison LIFT-LIS

Une comparaison des localisations obtenues après cette double correction avec d'autres systèmes de localisation, des photos satellites qui donnent la position des fortes convections et de témoignages oculaires m'a permis de valider cette méthode qui donne de bons résultats Les Figures 10a et 10b sont des enregistrements issus de données accumulées depuis 1997 par la campagne de mesure satellite TRMM (Tropical Rainfall Measuring Mission) équipé d'un système de détection optique LIS (Lightning Image Sensor). Les 2 clichés représentent une séquence de 90 secondes et les points rouges issus de LIFT superposés, une séquence de 3 minutes. La Figure 10c, montre des localisations issues de LIFT superposés à une photo satellite (MF) prise dans l'infrarouge. Plus le nuage est blanc, plus il est froid donc plus la convection est grande et plus la probabilité d'avoir des éclairs est importante.

Figure 10 : a) et b) Exemples de comparaisons des impacts LIS (vert) et LIFT (rouge); c) impacts LIFT superposés sur une image satellite IR. Les zones très blanches sont des Cumulonimbus sources de décharges.

Système de protection pour EDT

Pendant l'année 2004, la ligne HT a été très souvent foudroyée et a été endommagée à deux reprises. Grâce à l'analyse de ces données j'ai pu proposer un critère d'alarme basé sur la fréquence des coups enregistrés dans une zone bien définie. La figure 11 montre une séquence de 70 minutes qui a précédé un des 2 incidents. Le rectangle noir indique la zone que je considère critique pour établir le critère d'alarme.

Figure11 : impacts foudre détectés par LIFT pendant 70 minutes. Le rectangle représente la zone critique où sont comptabilisés les impacts pour le critère d'alarme.

LIFT peut donc être utilisé comme système de prévention. Le système n'a pas été réellement testé car en 2005 la ligne n'a pas été sérieusement menacée et en 2006 une antenne a été démontée pour cause de travaux sur un bâtiment. Sur ma proposition, l'entreprise devrait financer prochainement l'installation d'une quatrième antenne et d'un stagiaire de Master2. Je pense que ce système, peu coûteux, peut être utilisé comme système complémentaire de prévention pour surveiller des zones réduites comme des villes ou des zones industrielles.

Plate-forme d'observation des orages autour de Tahiti

Outre la localisation et la densité de foudroiement au sol, les statistiques essentielles pour obtenir un réel système de prévention sont la mesure du courant d'arc, son sens, sa dérivée par rapport au temps (sa raideur) et son intégrale (charge totale mise en jeu), le nombre de coups subséquents, le rapport entre le nombre de décharges dans les nuages et entre sol et nuage. Dans l'état, LIFT ne peut pas fournir de telles informations. J'ai souhaité développer une plate-forme d'observation des décharges atmosphériques pour obtenir ce type d'informations mais aussi pour étudier plus en détails les signaux rayonnés par la foudre. En effet, la situation particulière de Tahiti au milieu de l'océan lui confère une structure de "laboratoire grandeur nature" idéale pour l'étude des décharges océaniques et tropicales beaucoup moins approfondie que celle des décharges continentales. L'Office National des Etudes et Recherches de l'Aérospatial s'est associé à ce projet depuis 2005. L'ONERA m'a fourni une sonde de champ calibrée qui me permet d'enregistrer le champ électrique rayonné par les décharges atmosphériques (Figure 12). On montre que le champ mesuré à la surface de l'antenne est proportionnel à l'amplitude du courant d'arc en retour. L'intégration du courant mesuré à l'antenne fournit un signal proportionnel au champ électrique rayonné et donc au courant d'arc.

Figure 12 : a) antenne capacitive de l'ONERA, b) principe de la détection du champ électrique rayonné.

Le premier objectif était de permettre au système LIFT de distinguer les différents types de décharge, positive, négative, nuage-sol, inter ou intra-nuage … L'enregistrement de tels signaux demande un système d'acquisition performant. En effet, la durée typique d'un front d'impulsion est inférieur à la microseconde et une séquence entière d'un coup de foudre dure en moyenne un peu moins d'une seconde. Comme le montre la Figure 13, le nuage se décharge en plusieurs étapes et le premier pic, correspondant à l'arc en retour, est généralement suivi d'une succession de pics associés aux "coups subséquents". La phase précurseur qui précède l'arc en retour est également intéressante à analyser et concerne un domaine de fréquences encore différent.

Figure 13 : a) enregistrement complet du champ rayonné par un coup de foudre b) détail de premier pic (arc en retour) où apparaît le signal associé à la phase précurseur (traceur par bond).

La taille d'un fichier est de l'ordre de 30Mo et un orage peut développer une centaine de signaux. Aux signaux de foudre réels se mêlent des signaux parasites, le tout saturant très rapidement le disque du PC.

En 2005, j'ai obtenu un financement du ministère de l'Outre Mer qui m'a permis de m'équiper d'une carte d'acquisition performante, d'un DSP (Digital Signal Processor) et d'accueillir un stagiaire de Master2 de l'Université de Montpellier, M. Jens Boeckermann. L'étudiant avait pour objectif de rédiger un code de pilotage de ces deux cartes. Nous avons analysé un certain nombre de signaux enregistrés (Figure 14) pour déterminer des critères de filtrage entre signal foudre et signal parasite.

Arc en retour (nuage-sol) éclair (inter nuage)

Figure 14 : Signaux enregistrés avec un oscilloscope numérique

L'étudiant a rédigé un code qui, avant le stockage de l'information, filtre et mesure les paramètres du premier arc en retour en temps réel. Ensuite, en parallèle avec une étude menée à l'ONERA, nous avons travaillé sur la programmation d'un DSP avec des objectifs similaires. L'avantage du DSP est qu'il est beaucoup moins coûteux et qu'il peut fonctionner de façon autonome, sans PC. Le DSP utilisé comprend 8 processeurs en parallèle qui peuvent réaliser un grand nombre d'opérations. Nous nous sommes limités au filtrage et à la mesure de différents paramètres. Chaque pic d'un signal comme celui de la Figure 13 peut être analysé comme une information. La grande difficulté de ce travail fut la minimisation en temps réel de chacune des opérations. Le DSP sera utilisé dans le cadre du développement d'un réseau de détection foudre en Ile de France (PROFEO, ONERA). Une mise en place d'un réseau similaire en Polynésie française est également envisagé. Ce travail sera l'un des objectifs d'un travail de thèse financé par le Ministère de la Recherche et de la Technologie qui démarre au mois d'avril 2007.

ASPECT METEOROLOGIQUE

Statistiques et oscillations climatiques dans le Pacifique Sud

Au bout de quatre années d'enregistrement, ces compteurs m'ont permis d'établir une première statistique de l'activité orageuse autour de Tahiti: comparaison de l'activité entre la côte ouest (sous le vent) et la côte est (au vent), distribution journalière des orages, durée des orages et fréquence de foudroiement [26, 36, 37]. Le nombre mensuel de jours d'orage s'est avéré être proportionnel au niveau kéraunique (nombre de jours où l'orage a été entendu) publié par Météo France. Grâce à cette corrélation j'ai pu extrapoler mes enregistrements et remonter jusqu'en 1968 grâce aux enregistrements de Météo France. J'ai pu mettre en évidence une corrélation entre des oscillations climatiques connues dans le Pacifique sud et l'activité orageuse locale. Ces oscillations climatiques sont variées, tant en amplitude qu'en fréquence. La plus connue est l'El Niño South Oscillation (ENSO) dont la période est estimée à environ 7 ans. La plus longue est l'Interdecadal Pacific Oscillation (IPO) de période d'environ 20 ans et l'oscillation de Madden and Julian ou la Tropical Intra-Season Oscillation (TISO) de période de 30-60 jours. Elles se mesurent en termes d'anomalies de précipitations, de vent, de températures ou autres. Leur caractéristiques propres font encore l'objet d'études approfondies. Une analyse de Fourrier de la série temporelle des données foudre fait apparaître un pic à 56 jours qui démontre une corrélation entre l'activité orageuse autour de Tahiti et la TISO. Une corrélation avec l'ENSO est plus délicate à mettre en évidence. Le niveau kéraunique n'est pas suffisant et mes données CIGRE sont trop récentes. Le nombre de coups enregistrés, par opposition au nombre de jours d'orage, semble lié avec cette oscillation mais une période plus longue d'observation paraît indispensable à une conclusion fiable.

Index de prévision

Opérant progressivement une conversion thématique vers la météorologie, j'ai pu recalculer les quelques indices thermodynamiques utilisés en climat tempéré pour prédire localement le risque orageux. J'ai sélectionné 3 indices, Adedokun2, Faust et TTI Mod Index. Ces indices se calculent à partir d'émagrammes construits grâce aux données de radio-sondages effectués 2 fois par jour par Météo France Polynésie (ballons sondes qui enregistrent température, pression, direction et vitesse de vent sur une colonne d'air). Aucun des 3 indices n'est parfaitement fiable mais TTI Mod présente un seuil supérieur qui, s'il est atteint, donne une probabilité de 69% d'orage proche dans les 12 heures qui suivent et un seuil inférieur qui exprime une probabilité de 64% de non-orage dans les 12 heures qui suivent [26]. Mon intention était de modifier et d'adapter ces indices dont le calcul est basé sur des différences de pressions d'états thermodynamiques entre deux isobares. Malheureusement cette étude n'a pu être menée à terme car je n'ai pu obtenir de financement pour me procurer régulièrement les radiosondages vendus par MF.

Zone de Convergence du Pacifique Sud (ZCPS)

J'ai intégré le réseau international de localisation des coups de foudre (Wide World Lightning Location Network, WWLLN) développé par le Low-FrequenceElectroMagnetic (LF-EM) institut de Dunedin en Nouvelle Zélande et qui, à partir d'une vingtaine de stations au sol, enregistre les ondes très basse fréquence (sferics) émise par les décharges atmosphériques tout autour du globe. Ce réseau est également géré par l'Unviversité de Whashington. Ces ondes très basse fréquence (3-30kHz) se propagent dans le guide d'onde Terre-Ionosphère sur des milliers de kilomètres. La localisation est obtenue par une technique goniométrique à partir de la mesure des temps d'arrivée des ondes issues des différentes stations. Cependant, la dispersion du milieu déforme le signal et rend imprécise cette mesure. Le LF-EM a alors développé une technique d'analyse (Time of Group Arrival, TOGA) qui permet de réduire cette erreur et de localiser les décharges avec une précision de l'ordre de 10 km. Ce réseau fonctionne correctement lorsque la décharge produit des courants de crête d'au moins 30 kA, ce qui représente une proportion relativement faible de l'ensemble des décharges. Une étude comparative avec des réseaux américain et brésilien a permis d'estimer à 10% son efficacité de détection. Une des 24 antennes qui constituent le réseau est installée à Tahiti. Je reçois mensuellement les données de l'ensemble du globe sous forme de CDs. J'ai utilisé, entre autres, ces données pour étudier la relation entre climat et activité orageuse dans notre région. Le Pacifique Sud est le siège d'une zone de convergence, la ZCPS (Zone de Convergence du Pacifique Sud) particulièrement influente sur le climat de la Polynésie française. Il s'agit d'une bande convective et instable confinée entre l'anticyclone de l'île de Pâques et l'anticyclone de Kermadec. Elle s'étire vers le sud-est depuis approximativement la Nouvelle Guinée jusqu'à environ 30°S, 120°W. Elle n'a été clairement définie que depuis le développement des observations satellites.

Aujourd'hui, sa position est définie par le lieu des maxima de précipitation. On observe des déplacements par rapport à sa position moyenne en relation avec les oscillations climatiques décrites plus haut. Son activité, en termes de précipitations, semble être liée à des oscillations intra-saisonnières et son déplacement vers le Nord et vers l'Est observé pendant les phases Niño, pourrait être modulé par une oscillation plus lente, comme l'IPO (période de 20 ans). Ainsi, position de la ZCPS et oscillations climatiques sont intimement liées. Pour augmenter les pouvoirs de diagnostic, j'ai étudié la distribution du lieu des décharges atmosphériques détectées par WWLL dans la zone où se développe la ZCPS. J'ai proposé une technique qui permet de comparer la zone d'activité orageuse maximale avec la position de la ZCPS [7, 38]. La zone étudiée est découpée en mailles d'environ 100 km² et à chaque maille est associé le nombre de coups enregistrés. Dans chaque colonne de mailles, je recherche la maille comprenant le maximum des données. J'obtiens finalement une distribution des maxima en fonction de la longitude que je peux comparer à la position de la ZCPS. La Figure 7 montre un exemple de distribution mensuelle des maxima de coups de foudre (Septembre 2005) comparée avec la position moyenne du même mois de la ZCPS. Ce travail a fait l'objet d'un stage de 4^ème année d'école d'ingénieur de M. Thibault Guignes.

Ainsi les régions de forte convection peuvent aussi être déterminées par l'activité orageuse. Cependant, une bonne corrélation entre orage et pluie n'est pas toujours aussi évidente que celle de la figure 6. Quand les anomalies de pluie sont importantes, les maxima d'orage sont en limite de la ZCPS. Ainsi cette étude permettra également de trouver des corrélations entre activité électrique et précipitations. C'est une relation qui n'est pas bien connue en particulier au dessus des océans et qui présente un intérêt pour la caractérisation des systèmes fortement convectifs. D'autre part, la mesure des décharges électriques est relativement simple et représente une mesure complémentaire aux mesures satellites ou aux mesures radars (qui n'existent pas à Tahiti).

Figure 7 : a) distribution totale des impacts de foudre détectés par WWLL en septembre 2005

b) (1) position moyenne de la ZCPS en septembre 2005, (2) position moyenne de la ZCPS à partir des 30 derniers mois de septembre (3) régression polynomiale sur la distribution des maxima de densités de foudroiement (supérieures à un seuil) en fonction de la longitude (+)