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

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1 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 5-1

2 oublier les accidents de la route et de trottoir (un cauchemar pour les automobilistes et piétons nonpatineurs...). Orages 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. 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 5-2

3 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). 5-3

4 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) (j) 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. 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 Neige (continue) - pluie (continue) Neige (intermittente) - pluie (intermittente) Averses de neige - averses de pluie Granules de neige - grêle - averses de granules de glace Tableau 5-2 Type de nuages Stratus et stratocumulus Altostratus et nimbostratus épais Altostratus et stratocurnulus épais Altocumulus, cumulus et cumulonimbus denses Cumulonimbus 5-4

5 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 ampères et porter l'air environnant à 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 ( 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 5-5

6 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 5-6

7 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 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. 5-7

8 source: Lutgens et Tarbuck 1986 p