Sujet 5 Partie b Formation de la précipitation: De la neige aux orages

Sujet 5 Partie b
Formation de la précipitation: De la neige aux orages
source: Lutgens et Tarbuck 1986 p.132
Figure 5-10: Le processus de collision - coalescence.
Parce que les grosses gouttelettes de nuage tombent plus
vite que les petites, elles peuvent collecter les plus
petites gouttelettes sur leur passage et ainsi grossir. Un
grand nombre de gouttelettes de nuages sont si petites
que le mouvement de l’air les gardent suspendues. Même
si ces gouttelettes venaient à tomber, elles
s’évaporeraient avant d’atteindre le sol.
Le grésil
Le grésil est un phénomène hivernal. Le grésil est la précipitation en forme de petites sphères de
glace translucide. La couleur de la glace montre qu'elle a été formée par la solidification lente de
gouttes de pluie. Ce type de précipitation se forme quand la structure thermique de l'atmosphère
présente une couche d'air chaud qui surmonte une couche d'air froid proche du sol. Les flocons de
neige tombent dans la couche chaude et fondent partiellement. Ces gouttes de pluie, en sortant de
l'air chaud, traversent l'air froid. La partie de neige dans les gouttes agit comme des noyaux de
congélation et les gouttes arrivent au sol en forme de petites boules glacées de la taille des gouttes
de pluie qui en sont à l’origine.
Le verglas
En certaines occasions, la distribution verticale de la température est telle que la couche d'air chaud
est assez épaisse pour fondre complètement les flocons de neige. Les gouttes traversent donc la
couche froide sans regeler mais deviennent surfondues. Ils se refroidissent souvent au-delà du
point de congélation et gèlent en contact avec le sol ou d'autres objets solides, se transforment en
glace. Le résultat est un paysage féerique mais dévastateur pour les plantes et fils électriques, sans
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oublier les accidents de la route et de trottoir (un cauchemar pour les automobilistes et piétons nonpatineurs...).
Figure 5-11
LA FORMATION DES PRÉCIPITATIONS dans un nuage de type nimbostratus est décrite
dans cette figure. Les nimbostratus apparaissent souvent aux latitudes moyennes à l’avant
des fronts froids. Les cristaux se forment initialement à des températures très basses dans de
petites cellules convectives (les cellules génératrices) s’élevant au-dessus des nuages
stratiformes. Ensuite, ils grandissent rapidement dans un milieu peuplé principalement par
des gouttelettes en surfusion qui imposent une pression de vapeur d’eau nettement
supérieures à la pression de vapeur saturante de la glace (à gauche). Quand ces cristaux ont
atteint une taille suffisante pour acquérir une vitesse de chute appréciable, ils grossissent
principalement par agglutination de gouttes ou cristaux en suspension. Au passage de
l’isotherme 0˚C, ils se transforment en pluie. Cette évolution des hydrométéores explique la
structure des échos radar obtenue dans ces nuages (à droite). Ainsi, l’isotherme 0˚C est
marqué par une bande brillante correspondant à un accroissement de réflectivité radar, dû à la
fonte partielle des cristaux de glace. Le profil vertical du vent détermine la forme des traînées
de précipitations.
Orages
Dans les réseaux de surveillance météorologique, on signale la présence des orages quand
l'observateur entend le bruit du tonnerre. Les orages sont souvent caractérisés par la présence de la
foudre, la grêle et les rafales de vent.
Lorsque l'air anormalement froid recouvre de l'air anormalement chaud la grande instabilité de l'air
crée des conditions favorables au déclenchement des orages. Des violents courants d'air agitent les
fragments de glace et les gouttelettes à l'intérieur des nuages. Ces conditions sont propices à la
formation de la grêle et à l'électrification des nuages.
La structure dynamique des orages sera abordée plus loin. Ici on est concerné par les mécanismes
qui peuvent être responsables de l'électrification des orages et de la nature de la foudre et du
tonnerre. On expliquera aussi la formation de la grêle.
La grêle
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La grêle se forme en générale dans des conditions de grande instabilité. Dans un environnement
très instable, il se développe des nuages (cumulus), dans lesquels les mouvements ascendants de
l'air sont très intenses et capables de suspendre des morceaux de glace, les grêlons, qui, dans leur
chute peuvent atteindre des vitesses de 15 à 25 mètres par seconde. La température dans le nuage et
le niveau de température 0°C sont importants pour déterminer la taille des grêlons à leur arrivé au
sol. Dans leur parcours entre la couche sous zéro et le sol, les grêlons peuvent fondre totalement (et
deviennent les grosses gouttes de pluie), ou partiellement.
La croissance des grêlons dans le nuage est une conséquence de l'action combinée des courants
d'air et des processus de croissance des hydrométéores. La taille d'un grêlon dépend du contenu en
eau liquide et du temps de résidence du grêlon dans le nuage. Plus il y a des gouttelettes
surfondues, plus le grêlon va collecter de l'eau et augmenter sa masse. Plus longtemps il reste dans
le nuage, plus il va collecter de gouttelettes.
source: Wallace et Hobbs 1977 p.249
Figure 5-12: Trajectoires hypothétiques des particules de précipitation
dans une supercellule orageuse tel que (c) vue du dessus et (d) vue en coupe
verticale en regardant en aval des vents de la mi-troposphère. A représente
un petit cristal de glace, B une goutte de pluie et C un gros grêlon.
En résumé: un grêlon est une particule de glace qui a été transportée plusieurs fois de haut en bas
dans un nuage. À chaque voyage il se charge d'une couche de glace. Au sommet du nuage, là où il
fait le plus froid c'est une couche de glace opaque qui s'agglomère trop vite au petit grêlon.
L'opacité des grêlons est due à l'air qui reste piégé durant ce processus. Au contraire, en bas du
nuage, la couche gèle lentement en laissant l'air s'échapper ce qui donne un aspect transparent aux
grêlons. Le nombre de couches de glace que l’on peut observer dans un grêlon indique le nombre
de navettes qu'il a effectué de haut en bas du nuage avant de toucher le sol. Des grêlons peuvent
atteindre des grandes dimensions (jusqu'à 30 cm de diamètre, 500 g de masse).
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Résumé des précipitations
(a) Bruine: précipitations sous forme de très petites gouttelettes d'eau qui semblent flotter.
(b) Bruine se congelant : bruine qui gèle au contact des objets.
(c) Grêle : morceaux de glace comprenant, en général, des couches concentriques de glace claire
et opaque; peut tomber des cumulonimbus seulement.
(d) Cristaux de glace: petits cristaux de glace non ramifiés, en forme d'aiguilles, de colonnes
ou de plaques. Tombent de nuages ou d'un ciel sans nuage. Ne se produisent qu'à de très
basses températures dans les masses d'air stable.
(e) Granules de glace : granules de glace transparents ou translucides de forme sphérique ou
irrégulière. Rebondissent habituellement en frappant le sol avec un petit bruit. Les granules de
glace peuvent se diviser en deux types principaux:
(1 )
gouttes de pluie gelées ou flocons de neige, ayant beaucoup fondu pour regeler ensuite. Le
processus de congélation a habituellement lieu près de la surface de la terre. Cette forme de
précipitations ne donne pas d'averses, et
(2)
granules de neige entourés d'une mince couche de glace formée par la congélation de
gouttelettes interceptées par les granules ou la congélation d'eau exsudée par la granule en
fondant. Ce type se retrouve sous forme d'averses.
(f) Pluie : précipitations sous forme de gouttelettes d'eau plus grosses que la bruine.
(g) Pluie verglacente : pluie qui gèle au contact d'objets.
(h) Neige : consiste en cristaux de glace blancs ou translucides, habituellement ramifiés sous
forme d'hexagone ou d'étoile, souvent entrelacés pour former de gros flocons.
(i) Neige en grains : grains opaques et blancs de structure semblable à celle de la neige. Les
particules consistent en petits cristaux de neige emprisonnés dans le givre. Elles tombent de
nuages non turbulents.
(j) Granules de neige : il s'agit en réalité de petites boules de neige. Craquantes et
compressibles, elles rebondissent en frappant un sol dur. Les granules tombent de nuages
turbulents, donc sous forme d'averses.
Vous trouverez au Tableau 2 les types de nuages qui peuvent être associés aux principales formes
de précipitations. Les équipages doivent noter que ce tableau est d'une nature générale et qu'il y a
des exceptions.
Forme de précipitations
Bruine, bruine se congelant,
neige en grains
Tableau 5-2
Type de nuages
Stratus et stratocumulus
Altostratus et nimbostratus épais
Neige (continue) - pluie (continue)
Neige (intermittente) - pluie
Altostratus et stratocurnulus épais
(intermittente)
Averses de neige - averses de pluie
Altocumulus, cumulus et cumulonimbus denses
Granules de neige - grêle - averses de granules Cumulonimbus
de glace
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Granules de glace (continus)
Cristaux de glace
Tout nuage donnant de la pluie,
puisque les précipitations sans averses, sous
forme de granules de glace, résultent
habituellement de la congélation de gouttes de
pluie
Aucun nuage nécessaire
L'électricité atmosphérique
Le nuages de cumulonimbus se trouve souvent chargé d'électricité positive à son sommet et
négative à sa base. Un éclair est une décharge électrique qui se fait en direction des nuages voisins
ou bien de la surface terrestre. L'éclair prend toujours le chemin le plus facile, celui qui offre le
moins de résistance. C'est pourquoi les endroits les plus exposés sont les pointes, les sommets les
plus rapprochés. Un éclair peut avoir une intensité de 10 000 ampères et porter l'air environnant à
30000°C. Il se produit alors une grande expansion de l'air au voisinage de l'éclair (une explosion),
le tonnerre.
source: Wallace et Hobbs 1977 p.193
Figure 5-13: Section à travers le centre d’un grêlon naturel
La foudre est l'ensemble de ces deux phénomènes. La lumière produite par l'éclair se déplace à la
vitesse de la lumière (300 000 kilomètre par seconde) et le tonnerre à la vitesse du son (330 mètres
par seconde). Ainsi, lorsque l'orage est un peu éloigné, on voit l'éclair quelques secondes avant
d'entendre le tonnerre.
Examinons maintenant plus en détail comment on pense l'électrification des nuages, se fait-il.
Presque toutes les mesures montrent que les fortes valeurs de champ électrique et les éclairs sont
associés : près du sol, à des précipitations et, en altitude, à des particules de grêle ou de grésil. La
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plupart des théories actuelles sur la séparation des charges électriques atmosphériques reposent sur
la présence de particules de glace. Nous en présenterons deux qui figurent parmi les plus
généralement admises.
Le premier mécanisme de séparation est fondé sur l'effet thermoélectrique. Quand, dans une
particule de glace, il existe une différence de température entre les deux extrémités du cristal, il
apparaît une différence de potentiel électrique proportionnel à la différence de température. La partie
froide se charge positivement par rapport à la partie chaude. Or on sait que la grêle grandit par
accumulation de gouttelettes d'eau surfondues. Ces gouttes se solidifient rapidement au contact de
la glace, ce qui entraîne un réchauffement du grêlon en raison du dégagement de chaleur latente lié
au changement de phase. Les petits cristaux de glace qui heurtent ce grêlon se trouvent donc à une
température inférieure. Lors du contact, ils se chargent positivement par effet thermoélectrique.
S’ils rebondissent contre le grêlon, ils emportent cette charge qu'ils peuvent ensuite garder
jusqu'au sommet du nuage lorsque ces cristaux sont pris dans un courant ascendant (figure 5-14).
LA SÉPARATION DES CHARGES ÉLECTRIQUES dans les nuages peut se faire de
diverses manières. Deux mécanismes sont décrits ici. Le premier (à gauche) utilise
l’électrification par effet thermoélectrique. Quand il existe une différence de température à
l’intérieur d’un objet, la partie froide se charge positivement et la partie chaude
négativement. La croissance des grêlons se faisant par agglutination et givrage de gouttes
surfondues, la température du grêlon (T1) devient relativement élevée à cause de la chaleur
latente dégagée par la glaciation des gouttes collectées. Lorsqu’une petite particule de glace,
qui se trouve donc à une température T2 inférieur à T1, vient au contact du grêlons, cette
particules acquiert une charge positive pendant que le grêlons se charge négativement. La
séparation des charges électriques peut aussi se faire par induction (à droite). Le champ
électrique du nuage tend à séparer les charges à la surface des particules en suspensions. Le
champ électrique étant souvent dirigé vers le sol, les charges positives s’accumulent en bas
des particules et les charges négatives en haut. Lorsque la base d’une grosses particule heurte
le sommet d’une petite, les charges opposées se neutralisent. Après rebondissement, la
petite particule repart avec une charge positive et la plus grosse poursuit sa chute avec une
charge négative.
Le second mécanisme de séparation repose sur le phénomène d'induction des charges. Le champ
électrique terrestre, combiné éventuellement avec le champ de l'orage, déplace les charges à la
surface des particules de glace. Celles-ci seront alors chargées négativement sur leur face
supérieure et positivement sur leur face inférieure. Lorsqu'une grosse particule heurte une petite
particule, les charges doivent se neutraliser au point de contact. Les contacts se font en général par
le bas d'une grosse goutte et par le sommet de la plus petite, puisque cette dernière a une vitesse
inférieure. Par conséquent, s'il y a rebondissement, la grosse particule conservera une charge
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globale négative, tandis que la petite repartira avec une charge positive (figure 12). Cette dernière
pourra alors être très facilement entraîné en altitude par les courants ascendants dans le nuage.
Ces mécanismes ont été tantôt confirmés, tantôt infirmés par les expériences de laboratoire et les
observations. Donc l'électrification des nuages reste toujours mal expliquée.
Le mécanisme de l'éclair cependant est assez bien connu actuellement grâce aux nombreuses
observations et aux études réalisées sur les décharges entre les nuages et le sol. Les photographies
faites à l'aide de caméras spéciales montrent que l'éclair apparaît en deux temps. Quand il s'agit
d'un éclair d'un nuage vers le sol, on observe d'abord une trace lumineuse descendant en zigzag,
appelée le précurseur (voir la figure 5-15). Chaque segment de cette trace mesure entre 50 et 200
mètres et dure de 15 a 200 microsecondes. Le précurseur se ramifie souvent en plusieurs branches.
Quand il arrive à une cinquantaine de mètres du sol, il est rejoint par une étincelle ascendante qui
déclenche le retour de l'éclair: c'est le début de la deuxième phase. L'éclair est alors beaucoup plus
lumineux et il se propage d'un seul coup de bas en haut, le long du canal ionisé crée par le
précurseur. Ce courant de retour atteint plusieurs dizaines de milliers d'ampères et il est transporté
en majeure partie dans une section de quelques millimètres carrés à une vitesse de l'ordre de 30 000
kilomètres par seconde. L'ensemble peut se répéter plusieurs fois pendant environ un quart de
seconde. Cependant, à partir du second éclair, les précurseurs se propagent d'un seul coup,
presque à la même vitesse que le premier précurseur. L'éclair provoque une baisse subite du champ
électrique au sol qui se rétablit ensuite en quelques secondes. La température à l'intérieur du canal
de l'éclair atteint en quelques microsecondes plusieurs dizaines de milliers de degrés, d'où une
dilatation explosive de l'air, à l'origine de l'onde sonore correspondant au tonnerre.
source: Wallace et Hobbs 1977 p.206
Figure 5-15: Diagramme schématique illustrant la formation du
précurseur (a)-(f) et le premier retour de l’éclair (g) et (h). Le processus se
répète ensuite jusqu’à ce que le nuage soit déchargé.
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source: Lutgens et Tarbuck 1986 p.267
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