Les Précipitations
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2 HY - Météorologie AXELLE DE BAILLOU ELISE OUKHEMANOU SARAH SOUBEYRAN Avril 2010 LES PRECIPITATIONS O. Thual Sommaire Introduction............................................................................................................................................. 3 I. Origine des précipitations ............................................................................................................... 4 1. Effet Bergeron/Effet de captation ............................................................................................... 4 Effet Bergeron ......................................................................................................................... 4 Effet de captation .................................................................................................................... 5 2. II. Précipitations convectives/orographiques/frontales.................................................................. 5 Précipitations convectives ....................................................................................................... 5 Précipitations orographiques .................................................................................................. 6 Précipitations frontales ........................................................................................................... 7 Différentes formes de précipitation ................................................................................................ 8 1. Liquide ......................................................................................................................................... 8 Pluie ......................................................................................................................................... 8 Bruine ...................................................................................................................................... 9 2. Verglaçante................................................................................................................................ 10 3. Solide ......................................................................................................................................... 11 Neige...................................................................................................................................... 11 Neige roulée .......................................................................................................................... 14 Grésil...................................................................................................................................... 14 Grêle ...................................................................................................................................... 15 III. Les moyens d’investigation ....................................................................................................... 16 1. Prévision/Visualisation .............................................................................................................. 16 Pluie ....................................................................................................................................... 16 Neige...................................................................................................................................... 17 Autre moyen de visualisation : les émagrammes ................................................................. 19 2. Les mesures ............................................................................................................................... 20 Les appareils de mesure ........................................................................................................ 20 Exemple ................................................................................................................................. 20 Conclusion ............................................................................................................................................. 22 Bibliographie/sitographie : .................................................................................................................... 23 Introduction Dans le cadre de notre projet de météorologie, nous avons décidé de nous intéresser aux précipitations. A travers celui-ci nous allons aborder tout ce qui concerne cette pluie qui a la fâcheuse tendance d’affecter notre moral, de limiter nos activités et nous laisser des heures devant la télévision. Nous pensons que tout connaître de ce phénomène nous permettra de l’appréhender avec le sourire par la suite. La première question qu’il faut se poser est : d’où vient la pluie ou d’une manière plus générale, les précipitations ? La réponse pourrait paraître simple, des nuages ! Cependant il est nécessaire de ne pas s’arrêter là et d’être plus précis. En effet pour obtenir des précipitations significatives, quatre étapes sont nécessaires : réchauffement de la masse d’air jusqu’au point de rosée, condensation de la vapeur d’eau, croissance des gouttelettes et apport de vapeur d’eau pour compenser les pertes par condensation. Et lorsque la gouttelette est capable de se défaire des forces d’agitation, elle tombe. On observe alors des précipitations au sol. Ceci sera notre point de départ et pour décrire entièrement le phénomène des précipitations, dans une première partie, nous aborderons les différentes origines possibles des précipitations, dans une deuxième partie nous décrirons différentes formes que l’on peut observer et enfin, dans une troisième partie, nous nous intéresserons aux moyens d’investigation mis en place, de la prévision aux mesures au sol. I. Origine des précipitations 1. Effet Bergeron/Effet de captation Effet Bergeron Dans la partie du nuage où la température est négative mais supérieure à -40°C, coexistent des cristaux de glaces et des gouttelettes d'eau surfondues. L'eau pure ne se solidifiant pas à 0°C mais à -40°C, on appelle eau surfondue, l'eau liquide avec une température inférieure à 0°C. Physiquement, pour une masse donnée, la saturation autour d'un cristal de glace intervient à un taux d'humidité plus bas qu'autour d'une gouttelette d'eau surfondue. Suite à cette différence, il y a transfert de la vapeur d'eau des gouttelettes vers les cristaux. Ainsi, les gouttelettes s'évaporent tandis qu'il y a condensation autour des cristaux. Lorsque la masse du cristal est suffisante, il précipite. S'il traverse une région à température positive suffisamment épaisse (souvent à partir de 300 m dans les nuages stables) et si la durée de chute le permet, il fond et donne lieu à de la pluie. Le même processus de grossissement a lieu entre deux gouttelettes à des températures différentes (la plus froide grossit au détriment de la plus chaude). Il faut en moyenne 4 heures d'effet Bergeron pour former une goutte de pluie de 2 mm de diamètre (et même 16 heures pour une goutte de 4 mm). Effet de captation Il y a grossissement par choc et fusionnement avec d'autres particules. Du fait de la dispersion des vitesses, le cristal en se déplaçant, soit en chute libre, soit par turbulence, entre en collision avec les gouttelettes surfondues. La congélation de celles-ci augmente le volume du cristal. Il en est de même pour les gouttelettes de diamètre supérieur à 30 microns qui entrent en collision avec des gouttelettes de diamètre inférieur. Ce processus provoque un accroissement rapide de leur dimension et donc de leur masse augmentant leur vitesse de chute. De plus, lorsque deux cristaux entrent en collision, de fins cristaux se retrouvent éjectés et ainsi servent de noyaux de condensation qui augmenteront la densité des cristaux. Avec l'effet de captation, il faut en moyenne 2h pour former une goutte de pluie de 2mm de diamètre. L'effet de captation augmente donc largement le grossissement des gouttes. 2. Précipitations convectives/orographiques/frontales Précipitations convectives Ce type de précipitation résulte d'une ascension rapide des masses d'air chargées en humidité dans l'atmosphère. Elles sont associées aux cumulus et cumulo-nimbus, à développement vertical important, et sont donc générées par le processus de Bergeron. Les précipitations résultantes de ce processus sont en général orageuses, de courte durée (moins d'une heure), de forte intensité (en moyenne il tombe 200mm d'eau par heure) et de faible extension spatiale. Précipitations orographiques Ce type de précipitations résulte de la rencontre entre une masse d'air chaude et humide et une barrière topographique particulière. Par conséquent, ce type de précipitations n'est pas «spatialement mobile» et se produit souvent au niveau des massifs montagneux. Les caractéristiques des précipitations orographiques dépendent de l'altitude, de la pente et de son orientation, mais aussi de la distance séparant l'origine de la masse d'air chaud du lieu de soulèvement. En général, elles présentent une intensité assez régulière, environ 40mm par heure. Précipitations frontales Ces précipitations sont associées aux surfaces de contact entre deux masses d'air de température, de gradient thermique vertical, d'humidité et de vitesse de déplacement différents, que l'on nomme «fronts». Les fronts froids (une masse d'air froide pénètre dans une région chaude) créent des précipitations brèves, peu étendues et intenses. Après ces fortes précipitations, le temps se dégage avec une alternance d'averses et d'éclaircies. Ces précipitations sont associées aux cumulus et cumulonimbus. La vitesse de déplacement d'un front froid est d'environ 40Km/h. Du fait d'une faible pente du front, les fronts chauds (une masse d'air chaude pénètre dans une région occupée par une masse d'air plus froide) génèrent des précipitations longues, étendues, mais peu intenses. L'arrivée d'un front chaud s'annonce par des nuages élevés, car l'air chaud s'élève, au-dessus de l'air froid. On observe alors la formation de cirrus, de cirrostratus ou de cirrocumulus. La vitesse de déplacement d'un front chaud est d'environ 25 Km/h. II. Différentes formes de précipitation 1. Liquide Les précipitations liquides se présentent sous la forme de pluie lorsqu’elles comportent de grosses gouttes et de bruine lorsque celles-ci sont petites et rapprochées. Pluie Forme d’une goutte . La forme que l’on donne communément aux gouttes (forme allongée comme une larme) est en fait la forme qu’a une goutte suspendue par capillarité. Les gouttes de pluie ont une taille moyenne d’environ 2 mm. Les plus petites (environ 0.2 mm) tombent lentement et restent sphériques alors que les plus grosses (4 mm) tombent à plus de 30km/h et prennent la forme d’une sphère aplatie sous l’effet des forces de résistance de l’air. Lorsqu’une goutte est grosse, elle tombe plus vite et offre une surface de contact plus importante que lorsqu’elle est petite. La résistance de l’air ne peut alors plus être considérée comme négligeable devant les forces intermoléculaires ce qui explique l’aplatissement de la goutte. Si la goutte dépasse 5 mm, elle éclate en des gouttes plus petites. Eau de pluie, eau pure ? Comme les autres hydrométéores (rosée, brume, etc.) l'eau de pluie est à l’origine assez pure mais en tombant elle se charge de différents éléments polluants qui la rendent polluée et parfois non potable. La granulométrie L'étude de la granulométrie des gouttes permet de mieux comprendre les phénomènes de formation et de calibrer les radars météorologiques. La distribution des gouttes de pluie ou granulométrie de la pluie est la répartition du nombre de gouttes de pluie selon leur diamètre. Nous avons vu précédemment que trois processus contribuent à la formation des gouttes : la condensation de vapeur d'eau sur une goutte, l'accrétion de petites gouttes sur de plus grosses et les collisions entre gouttes de taille similaire. Selon le temps passé dans le nuage, le mouvement vertical dans celui-ci et la température ambiante, la distribution de diamètres pourra aller de quelques dizaines de micromètres à quelques millimètres. Bruine La bruine, ou crachin, est une précipitation dont les gouttes d'eau paraissent flotter dans l'air à cause de leur petite taille (de 0,2 à 0,5 mm). Ces fines gouttelettes tombent très lentement. Elles sont formées par les stratus (nuages bas). La bruine est due au fait que les mouvements verticaux de l'air à l'intérieur des nuages de bas étages comme les stratus ne sont pas assez forts pour permettre aux gouttes de se développer par collision, elles doivent donc croître surtout par condensation. C'est pour cela que les gouttelettes sont si petites. 2. Verglaçante La pluie verglaçante est de la pluie qui reste liquide malgré une température inférieure à 0 °C. Les gouttelettes sont alors en état de surfusion. Cet état est instable, c’est pourquoi elles gèlent instantanément lorsqu'elles rencontrent un objet, causant du verglas. Ainsi, lorsqu'une masse d'air doux et humide, dans laquelle se forme la précipitation, est soulevée par une mince lame d'air froid en surface lors d'une situation de blocage d'air froid, la neige qui se forme en altitude tombe à travers une couche au-dessus du point de congélation et fond. Elle passe finalement dans la couche de surface sous 0°C. Comme les gouttes de pluie peuvent rester liquides jusqu'à -39°C si elles ne rencontrent pas de noyaux de congélation, la pluie gèlera lorsqu’elle entrera en contact avec un objet et formera alors du verglas. 3. Solide Neige La neige est une précipitation de cristaux de glace isolés ou soudés dont la taille est comprise entre 2 et 5 mm mais pouvant atteindre 2 cm ! Les flocons de neige se forment par collision et agrégation de cristaux. Formation de la neige L’histoire de la neige commence au sein des nuages. L’eau pure peut rester à l’état liquide, surfondue, à des températures allant jusqu’à –40°C. C’est un état instable. Pour que l’eau congèle et cristallise, elle a besoin de “supports” : des noyaux de congélation appelés noyaux glaçogènes. Ces minuscules particules (de 0.01 à 10 μm) peuvent être des poussières en suspension, du sable, des particules salines, des aérosols organiques ou parfois des bactéries. Des microcristaux de glace vont alors se former autour de ces noyaux et vont croître jusqu’à donner des cristaux de neige. Leur forme et leur structure sont principalement fonction de la température du nuage : de 0 à -4 °C : minces plaquettes hexagonales ; de -4 à -6 °C : aiguilles ; de -6 à -10 °C : colonnes creuses ; de -10 à -12 °C : cristaux à six pointes longues ; de -12 à -16 °C : dendrites filiformes. La seule caractéristique commune à tous les cristaux est la structure hexagonale liée à l’angle de 120° de la molécule d’eau. Molécule d'eau (H2O) Lorsque la masse critique des cristaux est atteinte et qu’ils ne peuvent plus rester en suspension, ils tombent. Les gros flocons que nous observons sont une agrégation de nombreux petits cristaux dendritiques. Cette agrégation est favorisée si les précipitations sont importantes et si la température est suffisamment élevée (au dessus de –5°C) pour faire apparaître à la surface des cristaux une couche dite “quasi liquide ” facilitant leur adhésion. Cristal dendritique Influence de la neige sur la troposphère La neige est, comme nous venons de le voir, composée d’eau et d’impuretés. Elle peut donc, dès sa formation, contenir des polluants. De plus, lors de leur chute, les cristaux adsorbent à leur surface des aérosols atmosphériques et divers polluants gazeux. L’ensemble -neige + impuretés- est alors irradié par le soleil. Cet ensemble est un véritable réacteur photochimique où les cristaux de glace vont catalyser les réactions. Des gaz, comme par exemple les oxydes d’azote NO et NO2, sont produits et relâchés dans l’atmosphère. Il y a donc une influence directe de la neige sur la composition de la troposphère. Les gaz créés sont différents selon l’environnement chimique des cristaux et sont donc variables selon la zone étudiée (présence de polluants, de sel marin… ). Albédo L’albédo est le pourcentage de radiation solaire réfléchie par la surface terrestre. D’un point de vue physique, une propriété évidente de la neige est son fort albédo. Il est variable selon les caractéristiques physiques et chimiques des cristaux. En effet, plus les cristaux sont petits, plus ils comportent de surface réfléchissante qui augmente l’albédo. Inversement, plus il y a d’impuretés dans la neige, plus la lumière sera absorbée et plus l’albédo diminuera. Neige roulée La neige roulée est une précipitation sous forme de particules de glace blanche et opaque, de surface généralement arrondie ou conique, et dont la dimension peut aller jusqu'à 5 mm. La neige roulée peut apparaître lorsque la température avoisine 0 °C, avant ou entremêlée aux chutes de flocons de neige. Les particules de neige roulée sont des flocons qui se sont écroulés sur eux-mêmes sans fondre à cause de la température proche du point de fonte. Grésil Le grésil est une précipitation formée de pluie totalement gelée après être passée dans une couche épaisse d'air sous zéro. Les grains de glace ne dépassent pas 5 mm de diamètre, sont généralement sphériques, et rebondissent. Le grésil est formé de granules de glace, il est généralement une période transitoire entre la neige et la pluie verglaçante. Grêle La grêle est un type de précipitation qui se forme dans des orages particulièrement forts lorsque l'air est très humide et que les courants ascendants sont puissants. Elle prend la forme de billes de glace (grêlons) dont le diamètre peut varier de quelques millimètres à une dizaine de centimètres. Une coupe transversale des gros grêlons montre qu'ils ont une structure en pelure d'oignon, formée de couches de croissance épaisses et translucides alternant avec des couches minces, blanches et opaques. Le grêlon en ascension traverse des zones du nuage où la concentration d'humidité et de gouttelettes en surfusion varie. Son taux de croissance change selon les variations rencontrées. Le taux d'accrétion des gouttelettes est un autre facteur de croissance. Ces dernières s'agglomèrent par contact avec le grêlon. Ainsi lorsque le grêlon passe dans une zone riche en gouttelettes, il va acquérir une couche translucide en les capturant, alors que dans les régions de l'orage où c'est surtout de la vapeur d'eau qui est disponible, il se formera une couche de givre blanc opaque. L'épaisseur des couches varie en fonction de la vitesse à laquelle le grêlon bouge qui dépend ellemême de la position du grêlon dans le courant ascendant et du poids de celui-ci. Le grêlon s'élève donc jusqu'à ce que son poids ne puisse plus être supporté par le courant ascendant, ce qui prend au moins une trentaine de minutes compte tenu de la force de ces courants dans un orage à grêle dont le sommet est généralement à plus de 10 km de hauteur. Puis il se met à redescendre vers le sol tout en continuant sa croissance par les mêmes procédés. Le plus gros grêlon recensé aux États-Unis mesurait 17,9 cm de et pesait 750 g ! III. Les moyens d’investigation 1. Prévision/Visualisation Dans ce paragraphe, nous nous efforcerons de montrer les cartes qui existent, afin de visualiser les précipitations et ainsi pouvoir les prévoir. Pluie Ici, nous nous intéressons au Sud-est de la France et notamment la Corse, le 9 mars 2010. Toutes les cartes qui vont suivre ont été prises le 9 mars 2010 sur le site de météociel. Image satellite Sur cette image satellite, on observe la présence d’une masse nuageuse sur le sud est de la France, les cartes suivantes vont nous permettre d’identifier des nuages de pluie. Carte des températures Cette carte nous indique que dans le sud est de la France les températures sont positives, les précipitations seront donc de la pluie s’il y en a. Carte des pressions On remarque sur cette carte que les pressions dans la zone observée sont relativement basses : aux alentours de 1000hPa sur toute la Corse. On peut donc s’attendre à de la pluie sur cette région. Carte des précipitations Cette dernière carte nous indique que nos prévisions étaient bonnes ! On observe sur la Corse, que le 9 Mars 2010, il est tombé jusqu’à 45,6mm d’eau. Neige Dans cette partie, nous allons utiliser un raisonnement similaire mais concernant la neige. La zone étudiée est la région Midi-Pyrénées le 8 Mars 2010. Les cartes sont extraites du site météociel. Image satellite Cette image satellite nous montre la présence de nuages sur tout le Sud de la France. Les cartes suivantes vont nous permettre de déterminer la nature des précipitations. Carte des températures Sur cette carte on remarque que sur la quasi-totalité de la région MidiPyrénées les températures sont en dessous de 0°C. Ces températures sont donc trop basses pour avoir de la pluie, la neige est donc à prévoir ! Carte des pressions Dans la région observée, les pressions sont de l’ordre de 1010hPA, ce qui est suffisant pour avoir de la neige. Carte d’humidité relative On observe que l’humidité relative est très élevée et atteint même 100% dans le sud de la Haute-Garonne. Tous les Toulousains se souviennent s’être réveillés sous la neige le 8 mars au matin, nos observations sont donc exactes. La neige n’a d’ailleurs pas cessé de tomber de la journée ! Autre moyen de visualisation : les émagrammes Les émagrammes permettent de visualiser rapidement la présence de nuages et de la possibilité de précipitations. Exemple de comparaison le 27 mars 2010 entre le Finistère et la Haute-Garonne : Finistère le 27/03/10 Haute-Garonne le 27/03/10 On remarque que sur l’émagramme du Finistère, les 3 courbes sont confondues indiquant la présence de nuages jusque très haut dans la troposphère. Cette information nous révèle la probable présence de pluie sur cette région de France. En revanche, sur l’émagramme de la Haute-Garonne la courbe de rosée est très éloignée des deux autres courbes par certains endroits, il n’y a donc pas de nuages et donc pas de pluie. 2. Les mesures Les appareils de mesure Pluviomètre Le pluviomètre est l’instrument le plus utilisé pour la mesure des précipitations, qu’elles soient liquide ou solide. Il permet de connaître la quantité d’eau totale précipitée et recueillie pendant un intervalle de temps donné. On présuppose que l'eau des précipitations est uniformément répartie et qu'elle n'est pas sujette à évaporation. Le résultat de la mesure s'exprime en millimètres ou bien en litres par mètre carré. Ainsi, 1 mm d'eau récupérée dans le pluviomètre équivaut à 1 litre d'eau de pluie tombée sur 1 m2. Les précipitations sont collectées par la surface horizontale d'un cylindre se terminant en entonnoir. Les pluviomètres sont relevés manuellement à heures fixes. Pluviographe Les pluviographes permettent une mesure quasi-continue des précipitations. L'enregistrement des précipitations avec une meilleure résolution temporelle donne des informations plus précises sur la durée des évènements pluvieux. La précipitation, au lieu de s'écouler directement dans un récipient collecteur comme pour les pluviomètres, passe d'abord dans un dispositif particulier (réservoir à flotteur, augets, etc) qui permet l'enregistrement automatique de la hauteur instantanée de précipitation. L'enregistrement est permanent et continu, et permet de déterminer non seulement la hauteur de précipitation, mais aussi sa répartition dans le temps donc son intensité. Exemple Le pluviographe le plus utilisé par météo france est le pluviographe à augets basculeurs. Deux petits godets de quelques centimètres cubes sont installés sur un support en rotation autour d'un axe. La pluie s'écoule dans l'auget en position haute. Le pluviographe le plus utilisé par météo france est le pluviographe à augets basculeurs. Deux petits godets de quelques centimètres cubes sont installés sur un support en rotation autour d'un axe. La pluie s'écoule dans l'auget en position haute. Quand cet auget est plein, il passe en position basse et se vide dans un collecteur. L'autre auget passe en position haute et commence à se remplir. La hauteur de précipitation déclenchant le basculement de chaque auget est de 0,1 0,2 ou 0,5 mm en fonction des modèles. Avant d’aller plus loin, il faut savoir que comme les précipitations varient en fonction de différents facteurs, les mesures sont essentiellement locales. En effet, les pluviomètres sont disséminés un peu partout en France et les informations qu’ils donnent concernent la localité dans laquelle ils se situent. Une fois ces informations récoltées, il est nécessaire de les traiter. Les résultats obtenus permettent d’établir des statistiques sur toute l’année et de comparer au fil des ans l’évolution des précipitations sur une localité. Ainsi, sur le site de météociel, on peut trouver les précipitations mensuelles et les mettre en relation avec les températures minimales et maximales. Données mensuelles de Mars 2010 pour Toulouse Blagnac Sur ce même site on trouve également des tableaux de données recensant sur un très grand nombre de villes, les précipitations mensuelles, les températures minimales et maximales relevées dans le mois ainsi que les températures minimales et maximales moyennes : Tableau de données pour le mois de mars 2010 Grâce à ce genre de tableau récapitulatif, nous sommes en mesure de savoir ce qui nous est tombé sur la tête en un mois ! Conclusion Cette étude des précipitations aura été l’occasion de bien ancrer des notions vues en cours. C’est en effet en nous basant sur le livre Fondamentaux de météorologie, de S. Malardel, que nous avons construit notre étude. Nous avons cherché dans un second temps à aller plus loin. Les sites de passionnés de météorologie ont alors été d’une grande aide. Suite à ce travail, nous savons expliquer d’où vient la pluie, comment se forment les gouttes et cristaux de glace et nous connaissons les liens qui existent entre précipitations, pression, température et nuages. La découverte du monde des amateurs de météorologie a été très enrichissante et a révélé beaucoup de ressources insoupçonnées jusqu’alors. Bibliographie/sitographie : Fondamentaux de météorologie, S. MALARDEL, Cépaduès 2009 La météorologie, Larousse collection techniques d’aujourd’hui Combien pèse un nuage ?, Jean-Pierre Chalon Le Gluon, Journal de vulgarisation scientifique de l’université Joseph Fourier, n°30, janv-fév. 2006 http://www.wikipedia.fr, Encyclopédie libre en ligne http://www.meteociel.fr, Observations en temps réel et prévisions météo pour la France
