Formation des orages
Qu'est-ce qu'un orage précisément ?
L’orage se caractérise par une série d'éclairs et de coups de tonnerre. L'orage est toujours lié à la présence d'un nuage de type cumulonimbus, appelé aussi nuage d'orage.
Mais un orage est plus complexe que ca : il est souvent accompagné par un ensemble de phénomènes violents : rafales de vent, précipitations intenses – de la pluie la plupart du temps, mais parfois de la grêle –, et quelquefois vents rabattants.
L'orage est généralement un phénomène de courte durée : de quelques dizaines de minutes à plusieurs heures. Il peut être isolé (orage dû à la présence de reliefs ou causé par le réchauffement du sol en été) ou organisé en ligne (dite « ligne de grains » par les météorologistes).
Conditions propices aux orages
Les « ingrédients »
Il est cependant assez facile de détecter un orage dans le ciel. Les nuages de type cumulonimbus sont souvent visibles de loin avec leurs formes d’enclume géante. Ce genre de nuage contient des vents à forte extension verticale et engendre aussi des pluies fortes et des décharges électriques (la foudre). Nous avons donc pensé expliquer pourquoi la foudre et les orages sont les ennemis des aviateurs et qu’est-ce qu’un pilote devrait faire advenant le passage d’un orage à proximité. Dans un cumulonimbus, vous retrouvez des vents violents, de la grêle, et des turbulences extrêmement sévères. Bref, un « cocktail météo » à éviter absolument pour tous les aéronefs y compris des gros avions commerciaux comme l’Airbus 380 ou le Boeing 747 !
Le nuage d'orage : le cumulonimbus
Le cumulonimbus est le nuage caractéristique des phénomènes orageux. Il peut être, à lui seul, à l’origine quasi totalité des ennuis/dangers météorologiques que peut rencontrer un pilote dans toute sa carrière : givrage, turbulence, cisaillement, précipitations en tout genre et sous toute forme (liquide, solide ou surfondue : pluie forte, grêle), foudroiement, réduction de la visibilité, etc. Ce nuage géant et menaçant, large de 5 à 15 km, peut s'élever jusqu'à 15 km d'altitude sous nos latitudes. À son sommet, le cumulonimbus se heurte à la stratosphère et s'étale largement, ce qui lui donne une forme d'enclume.
Formation d'un cumulonimbus
L'air chauffé par le rayonnement du soleil sur la surface terrestre se dilate et devient plus léger que l'air situé au-dessus de lui. Il s'élève alors, comme le ferait une montgolfière. Si cet air est suffisamment humide, la vapeur d'eau qu'il contient se condense pour former des gouttelettes d'eau : un nuage de type cumulus apparaît. Dans une atmosphère instable, les mouvements verticaux de l'air sont intenses et vont favoriser par cette condensation le grossissement du nuage, qui se développe et monte en altitude. Les gouttelettes les plus élevées se transforment alors en cristaux de glace : le cumulus devient un cumulonimbus.
Que se passe-t-il dans un cumulonimbus ?
Le cumulonimbus est une véritable usine thermodynamique, qui se nourrit d'air chaud et humide pour fournir l'énergie nécessaire aux mouvements ascendants. Son énergie est considérable : chaque seconde, un gros cumulonimbus peut aspirer 700 000 tonnes d'air et absorber ainsi 8 800 tonnes de vapeur d'eau. Le même nuage peut renvoyer à la surface terrestre 4 000 tonnes d'eau, sous forme d'eau liquide, de neige ou de grêle.
Les orages agissent globalement comme des générateurs électriques, créant un courant dirigé du sol vers le nuage. En effet, les mouvements verticaux de l'air dans le cumulonimbus sont très violents : brassées par des vents pouvant dépasser 130 km/h, les particules d'eau et de glace du nuage s'entrechoquent. Ces nombreuses collisions provoquent l'électrisation du nuage, où des particules de signes opposés se regroupent à différents étages depuis la surface (chargée négativement) jusqu'au sommet (chargé positivement). Des microdécharges se propagent alors et finissent par établir une liaison électrique entre le nuage et le sol.
Formation de la foudre
L'air qui les compose se refroidit très brusquement à haute altitude. Le nuage se polarise alors pour des raisons encore ignorées. Sa base se charge de particules électriques négatives et son sommet devient positif. Un champ électrique de plusieurs millions de volts s'est donc créé à l'intérieur. Dans le même temps, un autre champ apparaît entre la base du nuage et le sol qui, lui, est électriquement positif. Son intensité augmente jusqu'à atteindre 200 à 300 kilovolts par mètre.
Polarisation d'un cumulonimbus
Dès lors, l'air, qui dans des conditions normales est isolant, devient conducteur.
Une série de rafales électriques part alors du nuage et rejoint un arc électrique qui, d'un point privilégié du sol - arbre, bâtiment - s'élance vers le nuage. Leur rencontre produit un canal ionisé par lequel la décharge du nuage s'opèrera, mais dans l’autre sens : c'est la foudre. La lueur de l'éclair correspond à réchauffement de l'air du canal. Il atteint 30000°C. Quant au tonnerre, il résulte de l'onde de choc provoquée par la brusque dilatation de l'air sous l'action de la chaleur.
Un flux d’électrons jaillit alors de la zone négative, c’est le précurseur. Cette étincelle reste invisible car elle se déplace trop vite pour que l’oeil puisse la percevoir, en effet elle se déplace à une vitesse de 200 Km.s-1suivant une trajectoire curviligne, non uniforme. Quand le précurseur est arrivé à proximité du sol il attire un flux positif. Celui-ci forme une deuxième étincelle, par contre celle-là part du sol. Lorsque ces deux étincelles se rejoignent elles forment alors un canal dit d’air ionisé. Ce canal n’est pas très grand, seulement quelques centimètres de diamètre. Par contre le courant positif remontant est très puissant, c’est l’arc de retour. C’est cette décharge électrique qui produit la ligne lumineuse de l’éclair. Par la suite, plusieurs arcs de retour se reformeront mais de moins en moins puissants.
On peut observer quatre types d’éclairs qui se forment tous de la même manière, il n’y a que le lieu de décharge qui s’avère différent. Ces types sont :
1- Le coup de foudre, celui que nous avions choisi de décrire précisément, ce sont les plus spectaculaires mais il n’y a que 20% des éclairs qui suivent ce chemin
2- L’éclair inter nuageux
3- L’éclair intra nuageux
4- La décharge en nappe.
Les différents types
L’éclair peut apparaître sous plusieurs couleurs. Les facteurs influençant sa couleur sont : la densité de l’air, la distance séparant celui qui observe l’éclair et l’éclair, des différentes particules présentes dans l’atmosphère à l’endroit où se décharge la foudre. Cependant nous distinguons bien trois états : la couleur blanche quand l’air est « sec », un éclair peut être jaune quand il y a présence d’une grande quantité de poussière, rouge lorsque le temps est pluvieux et bleu quand la grêle tombe.
Formation des précipitations
Si l’on ne considère pas la perturbation de la vue des pilotes (ce qui peut être, il est vrai, partucilièrement gênant à l’atterrissage), la pluie est relativement inoffensive pour un avion. Ainsi, nous entendons par précipitations plutôt la neige et la grêle qui peuvent causer des dégâts beaucoup plus importants.
Tout d’abord, il est nécéssaire de comprendre ce que sont et comment se forment les nuages.
Comment se forment les nuages?
L'air chaud contient de la vapeur d'eau. Comme il est plus léger que l'air froid il s'élève en altitude. Du même coup, sa pression diminue et il se refroidit. Ce refroidissement provoque la condensation de la vapeur d'eau en fines gouttelettes minuscules autour de fines particules de poussière (sels, embruns, pollens, etc). Ces goutelettes restent ainsi en suspension dans l’air et forment un nuage. La taille et la forme d'un nuage dépendent de la force et du degré d'humidité du courant ascendant (ou courant thermique). Il existe plusieurs types de nuages, et leur présence annonce les conditions météo présentes ou à venir (orages, vent, beau temps,..).
Les fines gouttelettes d'eau qui se condensent sur les particules de poussière pour créer un nuage sont séparées par des distances relativement grandes, si on compare ces distances à la taille de gouttelettes. Etant donné qu'il en existe des milliards, on a l'impression que le nuage forme une masse compacte.
Lorsque la condensation est trop importante et que les gouttes d'eau alors formées sont trop lourdes (environ 0,5 mm de diamètre), elles tombent, formant ainsi une pluie, si les conditions météorologiques s'y prêtent. Des variations de température de l’air peuvent ainsi occasionner d'autres formes de précipitation : neige, grêle, grésil...
La pluie et le grésil
Plus les nuages montent vers des couches d'air plus froid, plus les gouttelettes grossissent et se rapprochent les unes des autres. (On parle ici de gouttelettes, mais il est possible que ce soient des cristaux étant donné les températures basses atteintes en altitude.) Quand la taille de la gouttelette atteint la grosseur d'un point de ponctuation (bruine), elle ne peut plus flotter et elle commence à descendre lentement, de l'intérieur du nuage vers sa base. Lorsque la taille de la gouttelette de bruine dépasse quelque peu la grosseur d'un point, elle se met à tomber plus vite. En d'autres mots, le poids des gouttelettes entraîne leur chute. Les gouttelettes s'agglomèrent ensuite entre elles... et grossissent. Il faut environ un million de ces gouttelettes minuscules pour fabriquer une goutte de pluie.
L’état physique des gouttes qui vont frapper le sol dépend de la température de l’air qu’elles traversent dans leur chute :
- Si elle est positive, alors c'est sous forme de pluie que ces gouttelettes se rendent au sol. A l’impact avec le sol, elles peuvent changer d’état. Par exemple, elles gèlent au contact du sol ou des objets si leur température est inférieure à 0°C : c’est la pluie verglacante. La pluie, en gelant, forme une pellicule de glace transparente et cassante, qui s’apparente à du verglas, d’où son nom.
- Si elle est négative, les goutelettes auront tendance à se congeler et forment ainsi du grésil. Tout comme la pluie verglacante, le grésil se produit plus souvent l'hiver, quand la température du sol se situe en dessous de 0°C. Le grain de grésil a plus souvent qu'autrement, un noyau liquide; seule son enveloppe est gelée. Le grésil est menaçant par le fait que lorsqu'il éclate en touchant le sol, l'enveloppe durcie se désagrège et le centre liquide s'en échappe et devient alors verglaçant, puisque le sol est sous 0.
Comme les nuages se trouvent à une altitude où la température est basse, il arrive souvent que les gouttelettes soient congelées dans le nuage et qu'elles fondent pendant leur chute vers le sol.
Remarques
-S’il y a de forts courants descendants présents dans le nuage, on assiste à une forte averse de pluie en rafales qu'on appelle aussi "
-Si la taille d'une goutte de pluie est supérieure à celle d'un pois vert (>5 ou 6 mm), elle sera brisée par la friction de l'air dans sa chute vers le sol. La vitesse maximale qu'une goutte de pluie peut atteindre en tombant est de 30 km/h. C'est également la friction de l'air qui empêche la goutte de tomber encore plus vite.
La grêle
Elle se forme uniquement dans les cumulonimbus. A l'intérieur, de rapides courants ascendants et descendants déplacent de petits cristaux de glace verticalement dans un mouvement de va-et-vient. À chaque fois que le cristal rencontre des gouttelettes d'eau, celles-ci se congèlent et le cristal grossit en couches successives.
Au sommet du nuage, là où il fait le plus froid, c'est une couche de glace opaque qui s'agglomère très vite au petit grêlon. Ensuite le grêlon est poussé vers le bas du nuage (dans l'air chaud) où il fond un peu. Puis, il est repoussé vers le haut et la couche regèle lentement en laissant l'air s'échapper, ce qui lui donne un aspect transparent. La bille de glace finit par tomber à cause de son poids trop élevé. (La taille varie de celle d'un pois à celle d'une balle de baseball.)
Formation de grêle dans un Cumulonimbus
La structure en "pelure d'oignon" d'un grêlon indique le nombre d'aller-retour au sein du nuage avant qu'il ne touche le sol. En général, la grêle atteint le sol à 160 km/h causant souvent de sérieux dommages puisque le grain de grêle est vraiment un glaçon de part et d'autre contrairement au grésil.
La neige
La formation de la neige est semblable à celle du grésil.
En présence de nuages élevés, donc très froids, la vapeur d'eau contenue dans l'air ne passe pas par l’état de goutelettes mais se condense directement en cristaux de glace sur les particules présentes dans l'air. En présence d'un nuage très froid, et surtout si les couches d'air que traversent les cristaux dans leur cheminement jusqu'au sol sont inférieures à 0 degré, ceux-ci ne fondent pas en tombant jusqu'au sol, mais plutôt, s'agglutinent en formant tout autour d'eux des branches glacées appelées flocons. Les flocons de neige sont donc des amas de minuscules cristaux. Chaque flocon est différent des autres, sauf que tous ont six faces.
Cependant, si le sol est à une température supérieure à 0, alors on aura droit à de la neige fondante.