1000 km

5-1
Sujet 5-Partie a
Formation de la précipitation: De la neige aux orages
Mouvement Vertical Orographique
La surface de la Terre offre un moyen pour produire assez de mouvement vertical mécanique pour
déclencher de l'instabilité latente. Un exemple se trouve dans la figure 5-1 où la topographie force
l'air à monter. Donc, dans les régions montagneuses, on trouve souvent beaucoup plus de nuages
d'instabilité (cumulus, strato-cumulus, cumulonimbus) que dans les plaines.
Figure 5-1
Lorsque la terre est assez penchée dans la direction du vent (comme les prairies canadiennes), un
mouvement vertical de plus grande échelle peut se produire. Un exemple se trouve sur la figure 5-
2. L'intensité du mouvement vertical dépend de la vitesse du vent et de la pente de la surface de la
Terre dans la direction du vent.
1000 km
Figure 5-2
Mouvement vertical associé aux dépressions et fronts
Il existe aussi des grandes nappes de nuages qui se forment en réponse au mouvement vertical relié
aux dépressions et fronts. Ce mouvement vertical est produit par la convergence sur le plan
horizontal du vent dans les basses couches. La convergence (divergence) horizontale existe
lorsque, sur le plan horizontal, il y a plus d'air qui entre (sort) dans une région que d'air qui en sort
(entre).

5-2
Vent Nord
Exemple de la convergence
sur le plan horizontal
Figure 5-3
Si la convergence horizontale se produit dans la couche près du sol, l'air ne peut pas descendre
dans le sol et doit sortir vers le haut (loi de conservation de la masse) comme dans la figure 5-4.
Exemple de la convergence horizontale près
du sol qui produit le mouvement vertical
Vers le
haut
Vent
Figure 5-4
Si la convergence sur le plan horizontal se produit en altitude, étant donné que la masse est
conservée (Loi de conservation de la masse), la masse doit sortir vers le haut ou vers le bas
(divergence sur le plan vertical) comme dans la figure 5-5.

5-3
Vers le
haut
Exemple de la convergence horizontale
associée avec la divergence verticale
Vent
Figure 5-5
Figure 5-6: Exemple d'une zone de convergence en surface qui produit du mouvement ascendent.
En résumé, le mouvement ascendant qui produit les nuages de grande échelle est causé par les
vents, soit en interaction avec la topographie, soit par convergence. Il faut donc comprendre
comment les vents se forment. Il sera question de ceci dans le prochain sujet.

5-4
source: Anthes 1992 p.89
Figure 5-7: (a) Convergence et divergence d’un disque d’air. (b) Patron
de convergence et de divergence de grande échelle associé avec les
anticyclones (H) et les dépressions (L).
Les hydrométéores: la pluie, la neige et autres formes de précipitation.
Hydrométéore est le nom générique pour désigner toutes les particules qui forment des nuages et de
la précipitation, c'est-à-dire que le mot hydrométéore englobe les gouttelettes d'eau ainsi que les
particules de glace dans l'atmosphère.
Lorsqu'un hydrométéore atteint des tailles telles que sa vitesse de chute est supérieure à la vitesse
d'ascension de l'air, on dit qu'il y a formation de la précipitation. Si la précipitation atteint le sol
sous forme liquide on a de la pluie. Si on la reçoit au sol sous forme solide, on peut avoir de la
neige ou de la grêle ou encore d'autres types de précipitation (voir la liste sur les pages 4-21à 4-
23). Les raisons de la formation des différents types de précipitation seront traitées plus loin.
Maintenant on va essayer de comprendre un des nombreux mystères de la nature: comment les
gouttelettes de nuage se transforment en gouttes de pluie. Cette question semble dépourvue de

5-5
sens! Puisque les gouttelettes de nuage se forment par condensation de la vapeur d'eau sur les
noyaux de condensation, la goutte de pluie n'est-elle pas une conséquence logique de la croissance
continue ce cette même gouttelette? Nous verrons que ce n’est pas le cas.
Nous avons vu que les nuages se forment dans la nature dès que le seuil de saturation de l'air en
vapeur d'eau est légèrement dépassé; cela résulte du grand nombre de noyaux de condensation
présents dans l'atmosphère. Le diamètre habituel d'une goutte de nuage est de 20 micromètres,
alors que celui d'une goutte de pluie peut atteindre 5 millimètres (soit un facteur plus grand de
l'ordre de la centaine en taille et de l'ordre des millions en masse).
Au début, les gouttelettes d'eau dans le nuage sont nombreuses et de tailles presque égales. Leur
croissance se fait par condensation de vapeur sur leur surface. Mais le nombre de gouttelettes est
très élevé (1 million de gouttelettes par litre de nuage) et la compétition pour le partage de la vapeur
d'eau disponible est féroce. On a démontré depuis longtemps, aussi bien par le calcul que par les
expériences de laboratoire, que dans les nuages naturels, la condensation seule ne peut ammener le
passage de la gouttelette de nuage à la goutte de pluie.
Pour une température donnée, la vitesse d'accroissement d'une gouttelette de nuage est
proportionnelle au taux de saturation du milieu ambiant et inversement proportionnelle à la surface
de la gouttelette (c'est-à-dire au carré de la taille). Des calculs numériques ont montré que, sans
d'autre mécanisme que la condensation, dans une ascendance de cumulus, il faut environ 5 minutes
pour que les gouttes atteignent la taille de 20 micromètres de diamètre et plusieurs heures pour
arriver à 40 micromètres. Un autre mécanisme doit intervenir dans la formation de la pluie puisque
certains cumulus parviennent au stade précipitant en moins de 15 minutes.
On connaît deux processus principaux permettant de produire les précipitations; ils agissent à des
degrés différents dépendant du type de nuage:
Le processus de Bergeron.
Historiquement, le processus de Bergeron fut découvert et étudié pour la première fois en Suède, à
partir de 1930. Ce processus est relié a deux propriétés de l'eau. Premièrement, les gouttelettes ne
se solidifient pas à 0°C comme on pourrait le croire. L'eau pure en suspension (gouttelettes de
nuage) ne se solidifie spontanément qu'à des températures inférieures à -40°C. On dit que le nuage
est en état de surfusion. L'eau surfondue gèle facilement quand elle est en présence de noyaux de
congélation (une particule qui aide des molécules d'eau de s'arranger en forme de cristal) ou quand
il y a un phénomène qui perturbe des gouttelettes surfondues (par exemple, le passage d'un avion).
Les noyaux de congélation sont rares dans l'atmosphère et sont actifs (c-a-d initient la congélation)
seulement à des températures inférieures à -10°C. Ainsi dans l'intervalle de températures de 0°C a -
10°C, les nuages sont constitués de gouttelettes surfondues, entre -10 et -20°C les gouttelettes d'eau
et les cristaux de glace coexistent et en bas de -20°C les nuages sont entièrement formés de cristaux
de glace.
La deuxième propriété de l'eau est qu'il est plus facile pour les molécules de s'échapper d’une
surface liquide que d’une surface solide. Cette différence est due au fait que les cristaux de glace
sont à l'état solide et les liens entre leurs molécules sont plus forts que les liens entre les molécules
d'eau liquide. Donc, lorsque l'air est saturé en présence de glace (100% de saturation par rapport
d'un plan de glace), il y a moins de molécules de vapeur d'eau que lorsque l'air est saturé en
présence de l'eau. . Ceci explique la différence entre le nombre de molécule de vapeur d'eau (la
pression partielle de vapeur d'eau) au voisinage des gouttelettes d'eau et celui au voisinage des
cristaux de glace (voir la figure 5.8).