► comment se forme un orage ?

Pour "fabriquer" un orage, il est indispensable que l'atmosphère présente un état d'instabilité. Qu'entend-t-on par là ?

On considère qu'une masse d'air est stable lorsque la température d'une parcelle d'air soulevée diminue plus rapidement avec l'altitude que celle de l'air environnant.

A l'inverse, une masse d'air est dite instable lorsque la température de cette parcelle d'air soulevée diminue plus lentement avec l'altitude que celle de l'air environnant. Cette parcelle d'air sera donc plus chaude que l'air ambiant, plus légère et aura donc tendance à s'élever, à la façon d'une montgolfière. On parle ainsi d'instabilité notamment lorsque de l'air chauffé près du sol est surmonté par de l'air plus frais en altitude. Dans ce cas-là, l'air chaud qui s'élève depuis le sol va lentement se refroidir en prenant de l'altitude, au point de déclencher la condensation de la vapeur d'eau contenue dans l'air. Des gouttelettes se forment alors : un nuage se forme. Ce nuage continuera de se développer en altitude aussi longtemps que l'air qu'il contient sera plus chaud que l'air environnant. Ce mécanisme, appelé convection, donne naissance aux nuages du genre Cumulus.

Ces Cumulus, s'ils se développent à l'extrême (instabilité forte), finissent par voir leurs sommets atteindre le sommet de la troposphère. Cette limite, dénommée tropopause, qui sépare la troposphère de la stratosphère, se caractérise par une inversion de température. On entend par là le fait que la température de l'air s'accroît avec l'altitude au lieu de s'abaisser. Cette inversion est infranchissable pour les nuages : les Cumulus, ne pouvant plus s'étendre vers le haut, s'étalent horizontalement. A ce stade, on ne parle plus de Cumulus, mais de Cumulonimbus.

DU CUMULUS AU

CUMULONIMBUS

Cumulus humilis

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Cumulus mediocris

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Cumulus congestus

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Cumulonimbus

Le Cumulonimbus est ainsi un Cumulus qui a pris des dimensions colossales. Un Cumulus de petite taille (Cumulus humilis) ne fait ordinairement qu'un kilomètre d'épaisseur ; un Cumulus de taille moyenne (Cumulus mediocris) peut se développer sur 3 à 4 km de hauteur ; un Cumulus très développé (Cumulus congestus) pourra bourgeonner sur plus de 6 km d'épaisseur. Le Cumulonimbus, pour sa part, se développe sur 7 à 12 km d'altitude sous nos latitudes.

Un nuage de ces dimensions possède des caractéristiques réellement impressionnantes. Ce sont ainsi plusieurs millions de tonnes d'eau sous forme liquide ou de glace qui sont contenues dans un Cumulonimbus, pour un poids total de plusieurs milliards de tonnes. Pour maintenir en vie un nuage de cette envergure, ce sont 700.000 tonnes d'air qui sont aspirées chaque seconde par le nuage orageux, soit près de 600.000 tonnes de vapeur d'eau chaque minute. Cette gigantesque usine nuageuse produit en moyenne 4.000 tonnes de précipitations chaque seconde, qui s'abattent au sol sous forme de pluie ou de grêle.

Une telle usine fourmille de collisions innombrables entre les gouttes d'eau, les grêlons et les cristaux de glace qui circulent dans le nuage. Cette agitation finit par créer des charges électrostatiques, généralement positives pour les cristaux de glace qui, légers, se concentrent surtout dans la partie supérieure du nuage, généralement négatives pour les gouttes d'eau qui, plus lourdes, tendent à descendre vers les parties inférieures du nuage. Cette répartition est toutefois, encore aujourd'hui, sujette à discussion dans la mesure où une organisation plus complexe des charges électriques dans les Cumulonimbus est probable, avec une superposition de plusieurs "couches" de polarités opposées.

Ces champs opposés qui coexistent au sein du Cumulonimbus finissent par dépasser les limites tolérables pour l'atmosphère... des décharges électriques surpuissantes se déclenchent au coeur du nuage : les éclairs zèbrent le ciel et le tonnerre gronde... l'orage est né !

Si les Cumulus et les Cumulonimbus sont la manifestation visible d'un état instable de l'atmosphère, d'autres nuages peuvent également trahir cette instabilité et précéder de quelques heures les développements orageux proprement dits. Ce sont les nuages pré-orageux, dont l'apparition est souvent un bon indice d'orage pour les heures à venir, notamment en été.

► modèles conceptuels de la foudre

La foudre est un phénomène de décharge électrostatique particulièrement complexe, qui fait encore à ce jour débat au sein de la communauté scientifique spécialisée dans le domaine de la convection.

Les hydrométéores présents dans les cumulonimbus sont brassés par les courants verticaux (ascendants et descendants) et entrent en collision. Ce phénomène permet la production de charges électrostatiques. Le cumulonimbus agit alors comme un dipôle positif.

Plusieurs modèles théoriques du comportement des charges électriques au sein d’un cumulonimbus tendent encore à s’affronter. Le plus simple des modèles consiste à dire que les particules les plus légères dans le nuage, chargées positivement, tendent à s’élever vers le sommet du cumulonimbus. Au contraire, les particules plus lourdes (eau en surfusion la plupart du temps), chargées négativement, se retrouvent dans la partie centrale et inférieure du nuage.

Les courants descendants favorisent une électrisation positive. Il en est de même près du sol.

Cette différence de potentiel entre les différentes parties du nuage et le sol favorisent la décharge électrique.

M. Stolzenburg, D. Rust et T. Marshall, chercheurs américains à Norman (OK) ont proposé un modèle beaucoup plus complexe que celui présenté, ci-dessus, dans lequel plusieurs couches (jusqu’à plus de dix), se superposeraient dans le nuage. Cet aspect a été confirmé par une série de mesure qui montre par ailleurs que les couches demeurent plus faibles dans les courants ascendants des supercellules que dans les orages de masse d’air froid (sommets nuageux bas). A contrario, de nombreuses couches successives (jusqu’à plus de dix) ont été observées dans les courants descendants des supercellules.

► l'éclair

► lexique des orages

Cellule convective

Une cellule convective désigne un couple ascendance/subsidence, visuellement constitué autour d'une "tour" ou "colonne" convective (qui s'apparente ordinairement à un chou-fleur). Les orages se forment à partir de ces cellules convectives, lorsque celles-ci sont suffisamment vigoureuses pour déclencher la production de décharges électriques.

Arcus

Un arcus désigne une formation nuageuse horizontale et très basse, qui se propage à l'avant du courant descendant d'air froid d'une ou de plusieurs cellules orageuses (front de rafales).

Convection

La convection désigne un transport vertical de chaleur et d'humidité dans l'atmosphère. Ces mouvements sont rendus possibles lorsque l'environnement est instable.

Couvercle

On parle de "couvercle" en présence d'une couche d'air relativement chaude à faible altitude (entre 500 et 3000 mètres d'altitude), qui bloque par inversion thermique les mouvements convectifs et inhibe par conséquent les développements orageux. Quand ce couvercle sépare de l'air chaud et humide près du sol et de l'air plus froid et sec en altitude, il peut être déterminant dans l'éclosion d'orages violents : en empêchant le développement des orages dans un premier temps, il renforce le potentiel d'instabilité atmosphérique qui se trouve ensuite subitement libérée lorsque le couvercle lâche. Dans ce type de contexte, la virulence des orages est généralement accrue.

Cumulonimbus

De tous les nuages observables, il est le seul capable de produire un orage. Toujours associé à des courants ascendants puissants, le Cumulonimbus s'étend verticalement sur 5 à 15 km d'épaisseur. Il est ordinairement issu du développement maximal d'un Cumulus, le nuage bien connu en forme de "chou-fleur". Le Cumulonimbus type possède une colonne d'air ascendant et un courant froid descendant, l'ensemble formant pour un observateur extérieur une masse nuageuse imposante, bouillonnante et surmontée d'un couvercle en forme d'enclume. Un gros Cumulonimbus ingère chaque seconde 700.000 tonnes d'air et précipite 4.000 tonnes de pluie et de grêle par seconde.

Éclair

Décharge électrique se produisant au sein ou à l'extérieur d'un nuage orageux. Cette décharge peut être extra-nuageuse et frapper le sol (chute de foudre), mais la majeure partie de l'activité électrique d'un orage se produit à l'intérieur du nuage (éclairs intranuageux) ou d'un nuage à l'autre (éclairs internuageux). L'épaisseur moyenne du canal de foudre est estimée à 3 cm, pour un courant moyen de 30.000 A et une température de 30.000°C.

Éclair rampant

Un éclair rampant désigne un éclair qui se développe et se propage sous la partie inférieure de l'enclume d'un Cumulonimbus. On les observe préférentiellement dans la phase de dissipation de l'orage, ou au sein de puissants MCS.

Enclume

Partie supérieure aplatie d'un Cumulonimbus. L'enclume peut parfois s'étendre sur plus de 100 km de distance, depuis le coeur du Cumulonimbus.

Enclume à propagation rétrograde

Une enclume à propagation rétrograde désigne une enclume qui se propage en remontant contre le vent. Ce phénomène est souvent lié à des ascendances convectives particulièrement fortes et témoigne d'un potentiel orageux sévère.

Instabilité atmosphérique

Se dit d'un état de l'atmosphère dans lequel, sur une épaisseur donnée, toute particule d'air est spontanément poussée à se diriger vers le haut. Cela se produit le plus souvent lorsque l'air des basses couches de l'atmosphère est "trop" chaud et "trop" humide en comparaison avec l'air présent au-dessus.

On parle de stabilité absolue lorsque le gradient thermique vertical dans l'environnement est plus faible que le gradient de l'adiabatique humide.

A l'inverse, on parle d'instabilité absolue lorsque le gradient thermique vertical dans l'environnement est plus élevé que le gradient de l'adiabatique sèche.

Nuages annexes

On désigne par nuage annexe une caractéristique séparée de la partie principale d'un genre nuageux, ou partiellement soudée avec elle. En l'occurrence, les nuages annexes sont :

- le pileus : forme nuageuse s'apparentant à un bonnet ou à un capuchon, située au-dessus du sommet d'un nuage cumuliforme. Le pileus se présente principalement avec les cumulus et les cumulonimbus.

- le velum : voile nuageux annexe à grande extension horizontale, situé légèrement au-dessus des sommets d'un ou plusieurs nuages cumuliformes ou attenant à leurs régions supérieures. Le velum se présente principalement avec les cumulus et les cumulonimbus.

- le pannus : lambeaux déchiquetés qui apparaissent au-dessous d'un autre nuage et peuvent se souder avec lui. On les rencontre essentiellement dans les zones affectées par des précipitations. Ce nuage annexe se présente, le plus souvent, avec les altostratus, les nimbostratus, les cumulus et les cumulonimbus.

Nuages convectifs

Les nuages convectifs sont les nuages animés de forts mouvements verticaux. Ils indiquent un état instable de l'atmosphère. Même si les Cirrocumulus, les Altocumulus et certains Stratocumulus sont le siège de mouvements verticaux notables, seuls les Cumulus et Cumulonimbus sont considérés comme des nuages convectifs au sens strict.

Orage préfrontal

Orage qui se forme à l'avant d'un front froid. Les orages préfrontaux s'organisent préférentiellement sous la forme de lignes (en cas de convergence préfrontale, notamment en présence d'une méso-dépression secondaire préfrontale), ou supercellulaire.

Orage sec

Un orage sec se caractérise par la présence d'éclairs, parfois spectaculaires et accompagnés d'un tonnerre explosif, en l'absence de précipitations. Les orages secs se produisent dans des environnements très secs et présentent des bases élevées, ce qui conduit une part importante des précipitations à s'évaporer avant de toucher le sol.

Orage de masse d'air

Un orage de masse d'air désigne généralement un orage qui n'est pas associé à un front ou à tout autre type de forçage d'échelle synoptique. Le plus souvent, les orages de masse d'air se développent par temps chaud, dans une masse d'air bien humidifiée, et de préférence l'après-midi. Ils se dissipent ordinairement à la tombée de la nuit, ou peu après, et présentent un risque moindre de phénomènes violents que les autres types d'orages. Néanmoins, certains d'entre eux produisent parfois de fortes averses, de la grêle et même des microrafales.

Sommet pénétrant

Un sommet pénétrant désigné une protubérance en forme de dôme que l'on peut observer sur la partie supérieure de l'enclume d'un Cumulonimbus. Il indique la présence d'un courant ascendant particulièrement puissant, qui parvient à transpercer sur une petite épaisseur la tropopause. Dès lors, il signale un risque important d'orage violent. Les sommets pénétrants ont une durée de vie particulièrement longue lorsqu'ils sont associés aux orages supercellulaires. A l'inverse, des sommets pénétrants à formation puis à dissipation cyclique indiquent ordinairement la présence d'un orage à pulsations.

Sprites

couramment observés au-dessus des régions stratiformes des orages de moyenne échelle. De forme, de tailles et de structure diverses, ils génèrent des émissions de lumière nocturne spectaculaires. Ils sont produits quelques millisecondes après un éclair nuage-sol, positif dans la plupart du temps ou négatif dans quelques rares conditions.

T.L.E. (Transient Luminous Events)

constituent un ensemble de phénomènes lumineux qui se produisent au-dessus de certains orages jusqu'à la base de la ionosphère pour les plus élevés.
A l'échelle mondiale, les plus fréquents sont des "Elves" sortes d'anneaux lumineux de 100 à 300 kilomètres de diamètre à 90 km d'altitude, qui se produisent généralement au-dessus des orages océaniques et cotiers.