Morphologie d`un éclair

Modélisation de l’activité
électrique des systèmes
nuageux dans Méso-NH
Christelle Barthe et Jean-Pierre Pinty
(Laboratoire d’Aérologie)
Réunion des utilisateurs Méso-NH 2005
Electrisation du nuage
 Mécanisme de séparation de charge non-inductif
grésil
Collisions élastiques
glace-glace
+
_
TCR
_
glace primaire
ou neige
TCR = Temperature Charge Reversal
+
Charge échangée dépend de :
 température
(Helsdon et Farley, 1987)
 contenu en eau liquide
(Takahashi, 1978;
Saunders et al., 1991)
 vitesse de chute
 distribution en taille
Electrisation du nuage
 Charge échangée entre particules lors des processus microphysiques
 Transport des charges à l’échelle du nuage sous l’influence de la
convection et de la gravité
Leader bidirectionnel
 Déclenchement d’un éclair au hasard parmi les points tq E > 0.9Ebe
z
Ebe  167 A z  avec  A ( z )  1.208 exp 
 (Marshall et al., 1995)
 8.4 
 Leader bi-directionnel (Kasemir, 1960, 1983)
propagation de 2 segments de polarités opposées dans les directions
parallèles et antiparallèles au champ électrique
Critère de propagation : E > Eprop (Eprop = 20 kV.m-1)
 Détection des CG lorsque le leader atteint une altitude seuil (2 km)
 prolongement jusqu’au sol
Branchements
Morphologie d’un éclair :
- leader vertical
- extensions horizontales
 Modèle de rupture diélectrique
adapté  structure fractale
 Condition sur E remplacée par
condition sur le nombre de liaisons
possibles  efficacité numérique
Neutralisation des charges
 neutralisation de la charge aux points où |q(i,j,k)| > qexcess
(Ziegler et MacGorman, 1994; MacGorman et al., 2001)
 dans le cas des IC : neutralité globale de l’éclair (Kasemir,1960)
Si la charge nette est non nulle, on redistribue sur tous les points
la quantité :
1
qneut   q (i, j , k ) 
i , j ,k
N
N : nb de segments de l’éclair
 on redistribue la charge sur chaque type d’hydrométéore
proportionnellement à sa section efficace :
dq(i, j , k )
(l , i, j , k )
 q (l , i, j , k )  qneut 
dt
 (l , i, j, k )
l
Schéma de principe
Séparation et échange de charge
Processus
microphysiques et
dynamiques
Transport des charges
T+dT
Production
de NOx
Calcul du champ électrique
non
E>E
be
oui
Leader bi-directionnel
oui
E > Eprop
non
Schéma pseudo-fractal
Neutralisation partielle des charges
Extension verticale
du canal de l’éclair
Extension horizontale
du canal de l’éclair
Multicellule : initialisation
 Domaine :
40 x 40 x 46 pts
x = y = 1 km et z = 500 m
 Perturbation :
bulle chaude (+2°)
sondage (Wiesman et Klemp,1984)
Us = 20 m/s
 Processus NI :
Takahashi (1978)
Densité de charge et trace d’un éclair
Conclusion
 Modèle complet et réaliste d’électrisation des nuages dans un
modèle de mésoéchelle : cycle des charges électriques
(connaissance des différents phénomènes physiques mis en jeu)
 Perspective : simulation d’un cas réel suffisamment simple
 Eclairs = partie visible et détectable (sol et espace) de l’activité
électrique des orages : présence de glace givrée et non givrée,
marqueur de la convection profonde (ex : LIS sur TRMM)
 Paramétrisation explicite des NOx : application à la chimie
Electrisation des nuages est une composante utile et originale
pour caractériser la convection profonde et sa simulation
explicite ou implicite