Travaux Pratiques Encadrés
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En quoi le nuage d'orage est-il dangereux pour un avion ?
Les différents phénomènes associés à l'orage
L'orage constitue un ensemble de phénomènes dont certains en sont indissociables, comme le tonnerre et la foudre. Le givrage, les précipitations, les turbulences et les tornades sont des phénomènes secondaires (épiphénomènes) qui apparaissent dans des conditions particulières.
Le tonnerre
C'est la manifestation audible de l'orage et il accompagne l'éclair. Le bruit est provoqué par la dilatation de l'air surchauffé par la foudre. Étant une onde sonore il se déplace à la vitesse du son (1242 km/h) tandis que la lumière de l'éclair nous arrive instantanément. Le son peut être sec si l'orage est proche ou diffus sous forme de roulement de tambour si l'orage est éloigné.
La foudre, ou l'éclair
Elle est la manifestation visible de l'orage, et se produit en deux temps qui sont :
- la charge
- la décharge.
La charge :
Elle se produit lors de la formation du cumulonimbus. 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. 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. Ce champ peut alors posséder une intensité très importante, et le potentiel électrique entre la base du nuage et le sol peut aller jusqu'à cent millions de volts.
L'essentiel de ces mécanismes consiste en des ascendances et des subsidences. Les courants verticaux sont renforcés par la différence de température entre la base et le sommet du nuage. Lors de ces mouvements, les particules (cristaux de glaces, grêlons, poussière...) échangent des électrons, ce qui donne naissance à des ions (particules chargées). Pour une température inférieure à -15°C, ce seront préférentiellement des ions négatifs, et inversement pour une température supérieure à -15°C. Ces échangent d'électrons se font par frottement entre des particules de nature différente et sont à l’origine d'électricité statique qui s’accumule et provoque l'électrisation du nuage.
Lorsque le cumulonimbus est à proximité de relief ou d'un objet pointu, il se produit un phénomène d’ionisation par choc qui est une réaction en chaîne durant laquelle l’accumulation de charge est très importante. Cela est dû à un fort potentiel électrique autour de ces zones (pouvoir des pointes : augmentation du potentiel électrique autour des pointes). Il se crée alors un puissant champ électrique qui provoque l'excitation des atomes neutres par arrachage de leurs électrons. Ceux si vont percuter d’autres atomes neutres, il se produit une réaction en chaîne qui induit un champ électrique intense autour de ces zones.
La décharge
Elle correspond à la dissipation brutale de l'électricité statique. Elle se fait de façon disruptive (avec une étincelle) et elle désorganise la structure de l’air de façon momentanée. C’est un rééquilibrage électrostatique, elle provoque l’arrachage d’électrons aux molécules d’air ce qui crée un canal ionisé peu chargé qui a une progression vers le sol de 200 km/s : le traceur.
Fig. 3
Il progresse par bond dont la longueur dépend de la charge initiale. Ce traceur est multibranche et passe par là où la résistance de l’air est la plus faible. Etant chargé négativement, il déclenche l’accumulation de charges positives près du sol (et plus particulièrement près des arbres, pics et bâtiments). S’ensuit un traceur allant du sol vers le nuage dont la jonction avec l’autre traceur se fait aux environs de 100 m d'altitude, ce qui provoque immédiatement un arc électrique reliant le sol et le nuage, qui représente la libération des charges électriques accumulées : l’éclair. Sa vitesse de propagation est de l'ordre de 105 km/s, et il peut atteindre cent millions de volt.
Les précipitations
Il existe différents types de précipitations :
- la bruine
- la pluie (diamètre des gouttes compris entre 3 et 4 mm)
- la pluie d'eau surfondue (eau liquide à température négative)
- la neige (provient de la cristallisation des gouttes)
- la grêle (agglomération des cristaux de glace)
- les averses (on distingue les averses de pluie, de neige et de grêle)
Seule les averses et la grêle sont associées au cumulonimbus.
Suite aux processus microphysiques internes, des précipitations commencent à se former dans le nuage. La chute des gouttes d’eau est due a la gravité. Les gouttes d’eau vont se réunir pour atteindre un niveau d'énergie minimal (phénomène de coalence) lorsqu’elles sont trop lourdes, elles tombent.
La neige “classique” tombe sous forme de cristaux de glace agglomérés en flocons et peux se mêler à la pluie.
Effet Bergeron : Dans un nuage instable (Cb), dans sa partie supérieure cohabitent des cristaux de glace, de la vapeur d’eau et de l’eau surfondue (à température négative). La température de cette partie du nuage est comprise entre -10 et -15°C. A pression constante, la vapeur d’eau contenue dans le nuage va se transformer en glace plutôt qu’en eau (condensation solide). Cela va entraîner le grossissement des cristaux de glaces déjà présents dans le nuage. Comme la vapeur d’eau se transforme en glace, sa quantité dans le nuage va diminuer, ce qui entraîne l’évaporation des gouttes d’eau surfondues. La quantité de vapeur d’eau augmente de nouveau dans l’air ce qui aboutit à un renforcement de la condensation solide. Au final, est observé un transfert de l’eau liquide vers l’eau solide via la vapeur d’eau.
Lorsque ces cristaux de glace deviennent trop lourds, ils entament un processus de formation de la grêle. Ils tombent dans le bas du nuage, mais s'ils rencontrent des courants ascendants suffisamment puissants pour les faire remonter en haut du nuage ou ils pourront encore grossir. Au bout de plusieurs aller-retour, ils finissent par tomber définitivement (le plus gros grêlon recueilli pesait 1,2 kg).
Le givrage et les turbulences
Le givrage correspond à la congélation de l’eau liquide surfondue dans le nuage. Il se produit dans la zone du nuage ou la température est comprise entre 0 et -15°C. Ce phénomène est véritablement dangereux pour les avions. Le rôle des prévisionnistes devient donc prépondérant pour éviter les cellules orageuses.
Les turbulences sont provoquées par les courants ascendants et subsidients, et par le cisaillement du vent. Il existe les turbulences thermiques et les turbulences dynamiques, les unes causées par les différences de température entre les masses d’air et les autres par les reliefs et les frottements dans les basses couches.
Les trombes et tornades
Le tourbillon à axe horizontal est susceptible d'être transformé en tourbillon à axe vertical par basculement. La convection est alors plus forte et l'orage plus violent. Pour ce faire il faut un fort cisaillement vertical. Les mouvements ascendants sont alors conséquents ce qui provoque ce basculement. Il existe deux types de basculement, par roulis et par tangage. Par roulis, cela se produit lorsque la cellule orageuse se déplace dans le cens du cisaillement, et par tangage lorsqu'elle se déplace perpendiculairement au cisaillement. Le basculement par tangage étant le plus efficace.
Poussé à l'extrême, ce phénomène peut aboutir à la formation de tornades ou de trombes. Une tornade est un tube de nuage s'étirant de la base du nuage jusqu'au sol, associé à des vents circulaires d'une force exceptionnelle (pouvant atteindre 300 km.h-1). Une trombe correspond au même phénomène mais on en parle plutôt quand la base touche l'océan. Une trombe est généralement moins puissante qu'une tornade (les vents dépassent rarement les 200 km.h-1).
Front de rafale
Un front de rafale est la limite entre l’air froid sortant du nuage et l’environnement. Les fronts de rafales sont le résultat du courant descendant du nuage à la suite de la descente des précipitations et d'air plus frais et sec.
Dans les cas extrêmes on peut obtenir des rafales descendantes causant de sérieux dommages au sol lors du passage du front de rafales.