Avez-vous déjà observé un trou presque circulaire dans une couche nuageuse, avec un fin voile de cristaux de glace semblant en tomber ? Vous avez peut-être assisté à la formation d’un cavum, un phénomène nuageux aussi spectaculaire qu’intéressant. Nous vous expliquons ici comment il se forme.
Un cavum apparaît le plus souvent dans des nuages tels que les altocumulus et les cirrocumulus. Il se présente sous la forme d’un trou dans la couche nuageuse, parfois accompagné en son centre d’un voile de cristaux de glace.
Pour comprendre son origine, il faut s’intéresser à la composition de ces nuages. Lorsque la température est comprise entre 0 °C et environ -40 °C, un nuage peut contenir à la fois des cristaux de glace et des gouttelettes d’eau surfondues, c’est-à-dire de l’eau qui reste liquide malgré une température inférieure à 0 °C.
Cela peut sembler surprenant, mais une gouttelette d’eau ne gèle pas nécessairement dès que la température passe sous 0 °C. Sa congélation est grandement facilitée par la présence d’une particule solide, appelée noyau glaciogène, ou par le contact avec un cristal de glace. En l’absence de tels éléments, les gouttelettes peuvent rester liquides à des températures nettement négatives (jusqu’à -40 °C environ), parfois pendant toute la durée de vie du nuage.
La formation d’un cavum commence lorsqu'un mécanisme déclenche la formation de cristaux de glace dans une partie du nuage. Ces cristaux vont ensuite se développer aux dépens des gouttelettes d’eau environnantes. À mesure que celles-ci disparaissent et que les cristaux deviennent suffisamment gros pour tomber, une zone dépourvue de gouttelettes se forme progressivement dans le nuage : le cavum apparaît.
Les cristaux qui tombent sous le trou peuvent former un voile caractéristique. Ils se subliment souvent avant d’atteindre le sol, c’est-à-dire qu’ils passent directement de l’état solide à l’état gazeux. Ces précipitations qui se dissipent avant d’arriver au sol sont appelées virga.
Reste une question particulièrement intéressante : qu’est-ce qui déclenche la formation des premiers cristaux de glace ?
Différents mécanismes sont possibles. Des mouvements turbulents au sein du nuage peuvent notamment favoriser les interactions entre gouttelettes d’eau surfondues et cristaux de glace.
Mais les cavums les plus spectaculaires sont souvent associés au passage d’un avion à travers la couche nuageuse. Les perturbations aérodynamiques produites autour des ailes entraînent localement une forte diminution de la pression et, par conséquent, de la température. Celle-ci peut alors brièvement descendre suffisamment bas pour provoquer la congélation spontanée de gouttelettes surfondues.
Une fois les premiers cristaux formés, le processus peut rapidement s’étendre autour de la trajectoire de l’avion et conduire à l’apparition du trou caractéristique.
Dans le cas de la photo ci-dessus, il est difficile de déterminer avec certitude ce qui a déclenché la formation du cavum. Toutefois, les cavums très marqués de ce type sont fréquemment associés au passage d’avions.
La journée du 15 septembre était particulièrement favorable à leur formation. De nombreuses photos nous ont été envoyées via l’application MétéoSuisse, témoignant de plusieurs cavums observés dans différentes régions du pays.
Pour comprendre pourquoi les gouttelettes d’eau disparaissent au profit des cristaux de glace, il faut faire appel à un phénomène appelé effet Bergeron.
Lorsque des cristaux de glace et des gouttelettes d’eau surfondues coexistent dans un nuage, les conditions de saturation ne sont pas les mêmes au-dessus de l’eau liquide et de la glace. En effet, la pression de vapeur saturante de la vapeur d’eau par rapport à la glace est plus faible que par rapport à l’eau liquide. Les gouttelettes ont donc tendance à s’évaporer, saturant ainsi l’air en vapeur d’eau par rapport à la glace. Cette vapeur d’eau va se déposer sur les cristaux de glace, les faisant ainsi grandir.
Les cristaux grossissent donc aux dépens des gouttelettes d’eau. Lorsqu’ils deviennent suffisamment lourds, ils commencent à tomber hors du nuage. Les gouttelettes ayant simultanément disparu de cette zone, il ne reste plus de nuage à cet endroit : le trou du cavum s’est formé.
Le voile de cristaux visible sous le cavum constitue ainsi la trace de cette transformation. Lorsque ces cristaux se subliment avant d’atteindre le sol, ils donnent naissance à la virga caractéristique que l’on observe souvent sous le trou.