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Météorologie élémentaire

Orages sur le Kitt Peak. Document NOAO/Adam Block.

Les orages et les éclairs (I)

On dit qu'il y a orage lorsqu'on observe une ou plusieurs décharges brusques d'électricité atmosphérique se manifestant par une lueur brève et intense (éclair) et par un bruit sec ou un roulement.

Un orage est essentiellement associé à un cumulonimbus et est, le plus souvent, accompagné de précipitations sous forme d'averses.

Les phénomènes électriques qui le caractérisent peuvent entraîner des dégâts de structure mais ne constituent pas les éléments les plus dangereux. En effet, ce sont les forts courants ascendants et descendants, les mauvaises conditions de visibilité et de plafond liées aux averses et le givrage associé à la turbulence qui présentent le plus grave danger pour les avions en vol ou à l'atterrissage.

Abstraction faite des décharges électriques, un orage n'est rien d'autre qu'une averse violente; de ce fait, le contenu de ce chapitre est, en grande partie, valable pour les cumulonimbus et averses non accompagnés d'orage.

Introduction

Dans l'ensemble les orages sont assez fréquents. On estime à 20 millions le nombre d'orages déclenchés sur la totalité du globe terrestre au cours d'une année entière; soit, en moyenne, 50000 orages par jour ! Compte tenu de la durée moyenne d'un orage (quelques heures) on peut dire que quelques 2600 orages sévissent sur la Terre à chaque instant. Enfin, un orage libère autant d'énergie que 1 MT de TNT.

La fréquence des orages augmente généralement des pôles vers l'équateur : on n'observe pratiquement pas d'orages dans les régions polaires et dans les ceintures anticycloniques subtropicales; on observe environ un jour d'orage par an aux latitudes comprises entre 70 et 80° du fait qu'on y observe le passage de pratiquement aucun front. En revanche, on peut observer plusieurs centaines d'orages au niveau de l'équateur qui bénéficie d'un enseillement et d'une humidité maximales.

Aux latitudes tempérées européennes, le nombre moyen de jours d'orage est de 4 à 7 au printemps, 9 à 14 en été, 2 à 5 en automne et un seul ou voire aucun en hiver. Pour l'année entière, en Belgique on observe 18 jours d'orage à la côte et 25 en Ardennes. Ces nombres sont équivalents sur la côte nord-est des Etats-Unis jusqu'à New-York. En revanche, la côte Californienne subit moins de 5 orages par an, c'est le chiffre le plus bas des Etats-Unis, alors que le centre de la Floride subit plus de 90 orages chaque année !

Etant donné la plus forte instabilité de l'atmosphère au-dessus des continents en été, la fréquence des orages y est plus grande que sur l'océan. En mer (et à la côte), les orages se se manifestent surtout la nuit.

Documents Jan Uwe Friedlein et SuperStock.

Formation des orages

La formation des orages est le résultat d'un certain nombre de conditions dont les principales sont : 

1. Instabilité conditionnelle de la masse d'air

2. Déclenchement de l'instabilité par une cause extérieure

3. Humidité relative assez élevée

1. Instabilité conditionnelle de la masse d'air

Nous avons vu qu'une masse d'air est en instabilité conditionnelle lorsque sa courbe d'état est située entre l'adiabatique sèche et l'adiabatique saturée. Avant que l'air ne devienne instable, il doit être soulevé (par une cause extérieure) jusqu'à un niveau (p1) où les particules d'air ascendant deviennent plus chaudes que l'environnement. Lorsque cette condition est réalisée, les particules d'air, relativement chaudes, continuent d'elles-mêmes leur mouvement ascendant jusqu'au moment où leur température devient égale à celle de l'air environnant.

2. Déclenchement de l'instabilité

L'instabilité peut se déclencher par soulèvement de la masse d'air ou par convection. Le soulèvement des particules d'air jusqu'au niveau où elles deviennent plus chaudes que l'air environnant (p1) est provoqué principalement par le relief et par les surfaces frontales.

D'autre part, la convection thermique due au réchauffement diurne du sol joue aussi un très grand rôle dans le déclenchement de l'instabilité puisqu'elle crée une instabilité absolue dans les basses couches de l'atmosphère. La convection intervient également par suite d'une advection d'air froid sur une surface plus chaude

Document T.Lombry

3. Humidité de la masse d'air

L'importance de l'humidité de la masse d'air réside dans son influence sur l'altitude du niveau de condensation et de ce fait sur l'altitude du niveau à partir duquel les particules d'air s'élèvent d'elles-mêmes. Il est évident que le niveau de condensation et le niveau (p1) sont d'autant plus bas que l'humidité relative est élevée.

Par conséquent, le soulèvement nécessaire au déclenchement de l'instabilité sera d'autant plus faible que l'humidité de la masse d'air est élevé.

Toute autre condition restant égale, les orages seront plus fréquents (aussi bien dans l'espace que dans le temps) et plus violents dans une masse d'air humide que dans une masse d'air sec.

Structure et développement d'un orage

Généralités

Un orage se compose de différentes cellules de forme grossièrement elliptique, l'ensemble formant une supercellule. Chaque cellule résulte de l'agglomération de plusieurs cumulus en voie de développement (cu con). Les différentes cellules constituant un orage peuvent se trouver à un stade différent de développement; ainsi, d'anciennes cellules disparaissent tandis que de nouvelles se forment, entraînant un déplacement apparent de l'orage qui ne correspond pas toujours à son déplacement moyen réel.

Le diamètre des cellules varie entre 2 et 10 km selon le stade de développement atteint; leur extension verticale atteint 30000 à 40000 pieds (souvent plus dans la région équatoriale).

Photographies de supercellules orageuses : Colt Forney - James Smart

A gauche, la structure horizontale d'un orage formé de plusieurs cellules. A droite, une supercellule en développant le 1 septembre 2001 à Wyong, NSW, en Australie. Elle est légèrement en rotation comme le révèlent les mesures radar. Mais il est plus étonnant encore qu'elle soit isolée au milieu des terres. Documents T.Lombry et Jimmy Deguara.

Les intervalles entre cellules sont caractérisés par des conditions de vol nettement meilleures que dans les cellules (turbulence plus faible, etc).

La distance entre deux cellules est de 1 à 2 km; il est donc théoriquement possible de traverser un orage en empruntant un de ces couloirs en tirant profit des techniques radar.

Cycle de vie d'une cellule

Le cycle de vie d'une cellule dont la durée est d'environ une heure se divise en trois stades définis par la direction (vers le haut ou vers le bas) des mouvements verticaux.

Ces stades sont :

1. le stade cumulus caractérisé par des mouvements ascendants

2. le stade de maturité caractérisé par des mouvements ascendants et descendants

3. le stade de dissipation caractérisé par des mouvements descendants

1. Stade cumulus

Durant ce stade, la cellule est caractérisée par des mouvements ascendants à travers toute la cellule. Ces mouvements ascendants sont les plus importants dans la partie supérieure du nuage où ils atteignent 20 à 25 m/s (> 72 km/h).

L'air converge horizontalement vers le nuage à tous les niveaux traversés par ce dernier. 

Ces mouvements ascendants maintiennent en suspension l'eau liquide formée, empêchant les précipitations en surface.

Aucun éclair n'est observé durant ce stade dont la durée est de dix à quinze minutes.

Les températures à l'intérieur d'une cellule bien développée sont plus élevées que celles de l'air environnant aux altitudes correspondantes.

Stade cumulus (cu con)

Stade de maturité (Cb cal pil)

Stade de dissipation (Cb cap inc)

Images originales de Bernhard Mühr/Wolkenatlas réalisées en l'espace de 40 minutes.

2. Stade de maturité

Le stade de maturité commence lorsque les précipitations commencent à tomber de la base du nuage. L'importante quantité d'eau tombant à travers le nuage provoque, par frottement, un renversement du sens des courants verticaux. Un courant descendant prend naissance dans la partie précipitante de la cellule et s'étend ensuite aux autres parties de la cellule.

Les courants ascendants persistent cependant à côté des courants descendants et atteignent leur plus grande amplitude au début de ce stade et dans la partie supérieure du nuage (ils peuvent, localement, dépasser 25 m/s ou 90 km/h).

Les mouvements descendants sont généralement moins violents que les mouvements ascendants; ils sont les plus importants dans la partie inférieure du nuage.

La limite entre les mouvements ascendants et descendants constitue une zone de turbulence sévère et de fortes accélérations verticales. Ce stade de maturité constitue la période d'orage; il dure de quinze à vingt minutes.

On y observe des éclairs soit au sein même du nuage (éclairs horizontaux Cloud-Cloud ou CC, dits "crawler") soit dirigés vers le sol (éclairs Cloud-Ground ou CG) accompagnés de tonnerre et d'averses (de pluie, de neige ou de grêle en fonction des circonstances).

Les températures sont plus basses dans les courants descendants en comparaison avec l'air environnant  et contrastent spécialement avec les températures dans les courants ascendants; les plus grandes anomalies négatives s'observent dans la partie inférieure du nuage (négatives dûes à la friction, positives par induction).

A voir : Les Colères de Mère Nature : La fourdre

Le nuage d'orage s'électrifie lorsque les mouvements verticaux qui se manifestent dans le cumulonimbus séparent les charges positives et négatives. Dans ces conditions l'augmentation du champ électrique dans l'air peut donner naissance à des éclairs. Selon une théorie, la séparation des charges s'effectuerait au sein d'un mélange de neige en grain, de cristaux de glace et de gouttes d'eau. La dynamique des nuages et la microphysique imposent également une distribution des plus fortes charges entre le point de congélation et une altitude supérieure où la température atteint environ -10°C, mais jamais plus froide. Documents NASA.

3. Stade de dissipation

Le stade de dissipation commence dès que les courants ascendants et les éventuelles précipitations disparaissent et que les courants descendants ont envahi l'ensemble de la cellule. Le nuage commence à se dissiper ou à se stratifier. Le sommet du nuage prend la forme caractéristique d'une enclume (cb incus) qui peut s'étendre horizontalement sur plusieurs kilomètres.

Dès le début de ce stade qui dure environ 30 minutes, les risques d'orage disparaissent.

Lorsque les mouvements descendants cessent, les températures à l'intérieur de la cellule deviennent égales à celles de l'air environnant à même altitude.

Ligne de cellules orageuses en dissipation au coucher du Soleil photographiées en février 2016 au Portugal (gauche) et aux Etats-Unis (droite). Documents Paulo Pereira et NOAA Photo Library.

Deuxième partie

Types d'orages

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