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

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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 non-
patineurs...).
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.
Tableau 5-2
Forme de précipitations Type de nuages
Bruine, bruine se congelant,
neige en grains Stratus et stratocumulus
Neige (continue) - pluie (continue) Altostratus et nimbostratus épais
Neige (intermittente) - pluie
(intermittente) Altostratus et stratocurnulus épais
Averses de neige - averses de pluie Altocumulus, cumulus et cumulonimbus denses
Granules de neige - grêle - averses de granules
de glace Cumulonimbus

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Granules de glace (continus) 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
Cristaux de glace 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