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En quoi le nuage d'orage est-il dangereux pour un avion ?
La formation du nuage d'orage
Plusieurs éléments sont nécessaires à la formation d'un cumulonimbus, la convection est le plus important, mais il faut aussi prendre en compte le cisaillement et les subsidences. Nous verrons ensuite les différentes étapes de sa formation puis, à la fin de cette page, nous nous intéresserons aux lieux où la formation d'orages est la plus fréquente.
La convection est un principe de transfert de chaleur dans la matière, avec un déplacement d'une certaine partie de cette matière. Ce transfert de chaleur s'effectue dans la troposphère. Il faut que l'atmosphère soit instable. On considère qu'une masse d'air est instable lorsque la température de cette parcelle d'air (volume) 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.
La convection
Fig. 2
L'air n'est pas constitué d'eau, cependant nous pouvons faire la séparation entre l'air sec (sans eau), l'air humide (contenant une certaine quantité d'eau), et l'air saturé. L'eau est alors sous forme de vapeur tant qu'elle n'est pas à saturation. Lorsque cet état est atteint, l'eau sous forme de gaz se condense et devient liquide. C'est a ce moment que se forme le nuage. Le principe de convection est le suivant : l'air chaud dilaté devient moins dense que l'air environnante, cette air aura donc, selon le principe d'Archimède, tendance a s'élever naturellement. Au cours de son ascension, l'air chaud va se refroidir et l'eau contenue dans celle-ci va arriver à saturation. Pour former un cumulonimbus, l'ascension doit se faire de façon rapide et sur l'ensemble de la troposphère. Ce nuage continuera à se développer en altitude aussi longtemps que l'air qu'il contient sera plus chaud que l'air environnant. Mais, cette ascension s'achèvera au contact de la tropopause. Ce mécanisme, donne naissance aux nuages du genre cumulus pour atteindre le stade de cumulonimbus suivant l'instabilité de la masse d'air (faible ou forte).
Le cisaillement
Le cisaillement du vent est une variation importante de vitesse et/ou de direction du vent sur de faibles distances verticales ou horizontales. Un cisaillement de vent correspond donc à une variation, en force et/ou direction de ce vent sur une distance courte, de l'ordre de la centaine de mètres.
Il y a deux types de cisaillements, le cisaillement vertical et le cisaillement horizontal. Il peut avoir une origine dynamique, radiative ou convective.
Le cisaillement d'origine dynamique provient de la désorganisation de la distribution régulière des vents d'une masse d'air :
- soit à proximité d'une perturbation où des courants jets se forment (de haute ou de basse altitude). Ils accentuent alors très localement les variations de vent.
- soit près de reliefs, qui peuvent isoler une masse d'air calme qui entre en interface avec le vent synoptique (vent au-dessus du relief).
S'il est d'origine radiative, cela provient de la fine couche d'air en contact avec le sol. En l'absence de rayonnement solaire, cette couche se refroidis très vite et s'isole donc du reste de la masse d'air. Il y a ensuite deux cas de figures. En plaine, le vent va faiblir dans cette zone d'air froid, mais si le vent synoptique au-dessus est assez fort, cela crée le cisaillement. En montagne, cet air refroidi aura tendance à créer un vent descendant qui va entrer en conflit avec le vent synoptique.
Lorsqu'il est d'origine convective, le soleil réchauffe un pan de relief, qui va réchauffer l'air environnant. Cet air chaud s'élève et « aspire » l'air plus froid en vallée. A l'interface entre le vent synoptique et cette brise, du cisaillement peut apparaître. Ces mouvements convectifs très locaux sont à l'origine de changements de vents brutaux. Cela peut se manifester sous plusieurs formes, tout d'abord les « thermiques » utilisés par les planeurs, et lorsque le nuage grossit cela peut créer d'importants courants verticaux engendrant du cisaillement de vent.
Le cisaillement peut être unidirectionnel, ce qui favorise la formation d’orages unicellulaires et multicellulaires, ou tournant ce qui favorise la formation d’orages super cellulaires. Ce cisaillement de vent engendre un tourbillon à axe horizontale qui influe sur l’ascendance et la subsidence des particules.
Les subsidences
Ce sont des courants descendants de l'atmosphère, toujours associés à des courants ascendants. Au sein d'un orage elles peuvent être de deux sortes :
- les micro-subsidences qui sont très locales (quelques centaines de mètres) mais très intenses (plus de 50km/h). Elles vont de pair avec les rafales locales au sol.
-les subsidences d'échelle convective, allant sur environ un kilomètre mais ne dépassant pas les 50km/h.
Les différentes étapes de la formation du cumulonimbus
1) Phase de déclenchement
Tout débute par un courant ascendant, celui-ci naît de l'effet du relief sur le vent, d'une bulle d'air plus chaude que son environnement due à un échauffement différent selon la nature du sol ou tout simplement de la turbulence dans la masse d'air (convection). L'ascendance provoque le refroidissement de l'air et, à partir d'une certaine altitude fonction de la température et de l'humidité, la vapeur d'eau se condense (base de formation nuageuse). Le dégagement de chaleur dû à la condensation augmente la flottabilité au sein du courant ascendant et renforce ce dernier. Suite aux processus microphysiques internes, des précipitations commencent à se former dans le nuage. Une séparation des charges électriques (par effet thermoélectrique) s'effectue en créant un dipôle constitué d'une charge négative à la base du nuage et d'une charge positive sous le sommet du nuage.
2) Phase d'intensification
Les courants s'intensifient. Les précipitations deviennent significatives. Il y a apparition du premier éclair intra-nuage. Le sommet du nuage est très froid avec des gouttelettes devenues particules de glace.
3) Phase de maturité
L'activité électrique intra-nuage est maximale et des éclairs nuages sol commencent à se déclencher induisant de fortes variations du champ électrique au sol. La condensation a donné naissance à des gouttes de pluie, grêlons ou flocons de neige, suffisamment gros pour que leur vitesse de chute soit supérieure à celle du courant ascendant qui peut dépasser les 30m/s. Des précipitations atteignent le sol sous forme d'averses. Le nuage est au stade de cumulonimbus avec sa forme caractéristique d'enclume à sa tête. Cet étalement de la tête vient de ce que la structure thermique de l'atmosphère à cette altitude, bloque tout mouvement vertical comme un couvercle (forte stabilité du fait de l'inversion de température).
4) Phase d'effondrement
L'activité électrique nuage sol est maximale alors que celle intra nuage faiblit. Au cours de leur chute, les précipitations, rencontrent une atmosphère non saturée. Une partie des gouttes, grêlons...s'évapore refroidissant l'air environnant. De même que la condensation dans un nuage a favorisé le mouvement ascendant, l'évaporation hors du nuage favorise le mouvement descendant. Ce dernier vient contrarier le mouvement ascendant qui perd de son intensité. Le courant descendant s'étale au sol générant parfois un front de rafales avec des variations brutales de la pression et de la température.
5) Phase de dissipation
Perte d'activité électrique, fin des précipitations entraînant un asséchement de la masse d'air et la désagrégation progressive du nuage.
Quelles sont les zones les plus enclins à la formation de cumulonimbus ?
Comme on vient de le voir, les orages se développent en cas d'instabilité, notamment lorsqu'une masse d'air chaud, et de surcroît humide au niveau du sol, se heurte en altitude à de l'air plus froid et sec. La chaleur et l'humidité sont deux conditions que l'on retrouve fréquemment en se rapprochant de l'équateur dans la Zone de Convergence InterTropicale. C'est justement dans cette région que les orages sont les plus fréquents tout au long de l'année, contrairement aux zones polaires. Sous nos latitudes, ils sont fréquents en période estivale. En général, ils sont moins fréquents et moins intenses sur les océans que sur les continents. En France, ils prédominent dans les régions montagneuses et dans le sud de la France à proximité de la Méditerranée.