Série de blogs sur les orages - Comment les orages se forment-ils ?

8 août 2017, 3 Commentaire(s)
Thèmes: Service

Chaque année, souvent au début du mois de mai, parfois même en avril, cela recommence : les premiers gros orages gonflent dans le ciel de Suisse et traversent le pays. Dans cette série d'articles en plusieurs parties, nous abordons le sujet des orages sous différentes perspectives.

Deux éclairs verticaux
Photo 1: Un orage violent décharge son énergie sur Winterthour. L'éclair cherche son chemin du nuage vers le sol en empruntant l'un après l'autre des petits canaux latéraux qui dessinent une arborescence. Une fois le contact établi avec un point approprié, la décharge se produit par un canal principal bien plus éclairé.

Les orages sont une composante pérenne de notre climat, ils jouent un rôle important dans le bilan hydrique, ils exercent une grande influence sur la nature et, finalement, un peu sur notre culture. Les uns les adorent, les autres n'y trouvent que des inconvénients, voire subissent des dommages matériels ou financiers. Certains les poursuivent pendant des heures et des nuits en voiture, caméra au poing, d'autres effectuent un large détour pour les éviter, comme par exemple les pilotes.

Si les orages fascinent, ils provoquent souvent une frustration chez les météorologues. Les orages sont des phénomènes naturels impressionnants, mais leurs prévisions s'avèrent parfois décevantes même à quelques heures d'échéance. Une frustration malgré la mise en œuvre des techniques les plus modernes et dont les écrans et données météorologiques restituent la structure et la dynamique très variées. Ces phénomènes de petite échelle exigent effectivement des précisions dans le temps et l'espace : on touche ici aux limites de la météorologie et nous devons nous contenter de bulletins très généralisés, souvent insatisfaisants aussi bien pour les météorologues que pour les utilisateurs.

Dans cette série d'articles, nous abordons le sujet des orages sous différentes perspectives.

Vues d'éclairs

Définitions

Les cumulonimbus se distinguent physiquement des autres nuages par l'occurrence de tonnerre et d'éclairs. Si l’on ne voit les éclairs luire qu'à grande distance dans un nuage, on les appelle éclairs de chaleur. Dès que le nuage d'orage est assez proche et que le tonnerre devient audible, on parle d'un orage du point de vue de l'observation météorologique.

La foudre...

La foudre, phénomène caractéristique d'un orage, apparaît comme conséquence de processus complexes qui se déroulent à plusieurs échelles : les courants turbulents dans le nuage provoquent des collisions de grésil, de grêlons, de particules de glace et de gouttelettes d'eau. Une séparation de particules chargées électriquement s'effectue à l'échelle microphysique lors de ces chocs selon certains processus qui ne sont pas encore totalement compris aujourd'hui. Les particules chargées, de poids différents, sont transportées vers différentes zones du nuage, où s'accumulent de manière préférentielle des charges positives et négatives. L'ensemble du nuage devient un système à deux ou plusieurs pôles, qui forment un champ électrique. Au début, l'air entre les particules chargées est un isolant efficace. Mais si la différence de potentiel entre les pôles devient trop importante, il se crée un véritable « court-circuit » qui provoque de multiples mouvements, par à-coups, des charges, permettant de réduire la tension : c'est l'éclair.

Photo 2: Schéma simplifié d'un nuage d'orage dans lequel des particules chargées s'accumulent en différents points. Dans la réalité, le nombre et la disposition des charges varient fortement au cas par cas.
La séparation des charges s'effectue, entre autres, par des collisions entre les particules de glace ou de grésil qui, suivant le régime de température, chargent après la collision l'une ou l'autre des particules de manière positive ou négative. Suivant leur poids, les particules sont transportées par les courants dans différentes parties du nuage, où les charges positives ou négatives s'accumulent jusqu'au déclenchement de la foudre.
Les différents types d'éclairs (au sein du nuage, du nuage vers le sol et du sol vers le nuage) ainsi que leurs fréquences relatives sont également indiqués.
Source : Dale Ward, University of Arizona http://www.atmo.arizona.edu/students/courselinks/spring13/atmo336/lectures/sec2/lightning.html

... et le tonnerre

Le tonnerre retentit lors du réchauffement explosif de l'air jusqu'à des milliers de degrés dans le « canal de foudre ». L'onde de choc produite par l’expansion de l’air surchauffé se traduit, à proximité de l'orage, par une détonation qui se propage à la vitesse du son, soit environ 340 m par seconde. Sa diffusion intervient de manière radiale depuis le lieu de l'impact, s'affaiblit peu à peu et forme, à distance, un bruit de grondement ou de roulement : le tonnerre.

Comment les orages se forment-ils ?

Cette explication très simplifiée de la formation d'un éclair permet de déduire les ingrédients nécessaires à la formation d'un nuage d'orage :

  • l'humidité, base de la formation des particules du nuage,
  • l'instabilité (potentielle) pour permettre des mouvements verticaux assez puissants et
  • un mécanisme de soulèvement pour déclencher la formation du nuage d'orage.

Les météorologues nomment ce mécanisme de soulèvement le « trigger », par analogie avec la gâchette dans le fonctionnement d'un pistolet. On peut en effet dire que la troposphère (du sol jusqu'à 11-17 km d'altitude) est souvent « chargée » les jours orageux, avec de grandes quantités de vapeur d'eau dans les couches proches du sol. Les nuages convectifs qui se forment par effet thermique, sont le plus souvent stoppés dans leur extension verticale par une inversion de température dans les étages moyens de la troposphère (>4 km). Un mécanisme supplémentaire est nécessaire, la détente, ou bien la gâchette d'un pistolet, pour apporter l'énergie supplémentaire qui permettra à l'ascendance de traverser la zone de blocage et de continuer à monter dans les couches supérieures, afin d'atteindre les dimensions et les caractéristiques d'un orage.

Photo 3: Représentation schématique de deux chaînes de processus déclenchant un orage sur l'exemple d'une section Jura-Plateau-Alpes.
A gauche, un orage déjà actif expulse de l'air froid qui s'étend latéralement à proximité du sol et soulève l'air chaud sur le front de rafales. Cette « impulsion » supplémentaire permet à des nuages convectifs d'extension verticale modérée au départ de traverser l'inversion présente à moyenne altitude et de croître pour former une cellule secondaire.
Sur la droite de l'image, un déclenchement purement orographique : des systèmes de brises de pentes et de vallées d'origine thermique pompent l'air en altitude au-dessus des massifs. L'air qui monte en permanence finit par éroder l'inversion, de telle sorte, qu'en cours d'après-midi, des tours convectives s'élèvent vers le ciel comme des champignons sortant du sol.

Déclencheurs d'orages - trigger

En général, en Suisse, ce sont les montagnes qui jouent le rôle de déclencheur. Leurs systèmes de brises de pentes induisent une convergence accrue des flux d'air au-dessus des crêtes et des sommets. Lorsque des précipitations se produisent, c'est souvent l'air froid qui reprend dans une deuxième phase le rôle de déclencheur : il se glisse sous l'air chaud qui stagne et le soulève activement. Des processus de soulèvement similaires se produisent à grande échelle au niveau des fronts ou, plus rarement, sous l'influence de phénomènes de haute troposphère. Chez nous ils se produisent à plus petite échelle au niveau des systèmes de brises entre la terre et les plans d'eau importants.

Les jours d'orage, ces ingrédients et processus sont plus ou moins marqués dans l'espace et le temps et s'influencent les uns les autres. Pour les météorologues, mais aussi pour les modèles numériques, la pondération correcte de tous ces facteurs présente un grand défi afin de proposer une prévision précise du développement des orages. Souvent, on ne peut donner que des indications approximatives à l’échelle régionale, que ce soit pour de la courte échéance de quelques heures à quelques jours de prévision.

Liens pour en savoir plus

Films d'éclairs au ralenti

Les éclairs de chaleur sous une autre perspective : le nouveau satellite météorologique GOES-16 de l'agence aéronautique et spatiale américaine NASA embarque une caméra qui détecte la luminosité de chaque éclair et qui délivre ainsi des informations sur l'activité électrique, et donc, l'intensité d'un orage. Le satellite et ses instruments se trouvent actuellement en phase de test et d'étalonnage. La prochaine génération des satellites météorologiques européens sera équipée dès 2019 d'un instrument semblable.
Lien vers le Lightning-Mapper 

 
Dernière modification 08/08/2017

 

Commentaires (3)

  1. Olivier Probst, 09.08.2017, 16:32

    Bravo pour vos blogs, toujours très intéressant et bien vulgarisé pour les néophytes.
    Espérons que cela continue.

  2. Anne-Marie F., 09.08.2017, 08:22

    Les éclairs et le tonnerre...phénomènes inquiétants et fascinants pour mes petit-enfants : j'ai maintenant de quoi leur donner quelques explications pour les rassurer ! Merci pour tous les blogs super-intéressants abordés au fil des saisons !

  3. Claude Guignard, 08.08.2017, 17:41

    Vous abordez un sujet extrêmement intéressant. Les orages et leur système constituent un phénomène météorologique fascinant. Peut-être parce qu'il est spectaculaire. Et un peu mystérieux quand même. Les quantités d'énergie dégagées par un orage sont certainement considérables et dans un article ultérieur vous nous en donnerez certainement un aperçu. Dans votre article le dessin en photo No 2 n'est pas très clair. Dans le nuage on ne voit que peu de zones d'électricité négative. On ne comprend pas bien comment un éclair peut se former entre deux zones chargées positivement, ainsi entre le haut du nuage et le sol. Mais je dois avouer que mes connaissances en électricité sont plutôt rudimentaires. Si la formation du nuage est clairement compréhensible, les phénomènes électriques et leur fonctionnement demeurent un peu obscurs. Pourtant ils sont très importants car ils sont là caractéristique des orages.