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Météorologie élémentaire

Précipitations et virga dans un frond chaud. Document T.Lombry.

Les précipitations

Les précipitations se présentent sous forme d'une chute d'un ensemble de particules (pluie, bruine, neige, neige roulée, neige en grains, granules de glace, grésil et prismes de glace) et prennent le plus souvent naissance dans les nuages. Ces particules peuvent après évaporation partielle atteindre la surface du globe ou s'évaporer complètement au cours de leur chute (virga).

Les précipitations se présentent soit sous forme plus ou moins uniforme (intermittente ou continue) soit sous forme d'averses. 

Les averses sont caractérisées par leur début et leur fin brusques et par les variations généralement rapides et parfois brutales de l'intensité des précipitations. 

En Europe, l'intensité des précipitations varie en moyenne entre 60 et 120 mm ou litres/m2 en juillet, mais il arrive de temps en temps qu'il tombe cette quantité de précipitation en une seule journée, avec toutes les conséquences désastreuses (inondations) que ce phénomène peut entraîner.

Pour rappel, 1 cm de neige correspond à 1 mm d'eau ou 1 litre/m2.

Il existe des endroits dans le monde où les pluies sont 100 à 400 fois plus abondantes !

Le record de pluviosité

Où pleut-il le plus ? C'est à Cherrapunji (Sohra) dans l'état de Meghalaya situé au nord-est de l'Inde qu'on enregistre les pluies les plus abondantes avec plus de 10000 litres/m2 par an. Le maximum se produit durant la Mousson, entre mai et septembre.

Le record de pluie fut de 24555 mm ou litres/m2 en 1974. En juillet 1861, il tomba 9300 litres/m2 en un seul mois ! 

Certains habitants prétendent qu'ils ont connu une époque où il plut sans discontinuer durant... 2 ans ! Les touristes séjournent volontiers à Cherrapunji rien que pour voir tomber la pluie et dire qu'il y était !

Cette pluviosité exceptionnelle s'explique par la situation de la ville qui non seulement se trouve à plus de 1200 m d'altitude mais également sur la trajectoire de la Mousson dont elle constitute le premier obstacle.

Définitions

Pluie (rain). Précipitation de particules d'eau liquide soit de gouttes de diamètre supérieur à 0.5 mm, soit de gouttes plus petites et dispersées.

NB. Lorsque la pluie se trouve à l'état de surfusion, elle se congèle au moment de l'impact sur le sol ou sur les objets.

Bruine (drizzle). Précipitation assez uniforme, constituée exclusivement par de fines gouttes d'eau ( de diamètre inférieur à 0.5 mm) très rapprochées les unes des autres (la bruine se congèle de la même manière que la pluie).

Neige (snowflake). Précipitation de cristaux de glace dont la plupart sont ramifiés (parfois étoilés). Par température supérieure à -5°C environ, les cristaux sont généralement agglomérés en flocons.

Neige roulée. Précipitation de grains de glace, blancs et opaques. Ces grains sont sphériques ou parfois coniques; leur diamètre est compris entre 2 et 5 mm. Ces grains, lorsqu'ils tombent sur un sol dur rebondissent et se brisent souvent. La neige roulée s'observe habituellement lorsque la température au sol est voisine de 0°C; elle se présente généralement sous forme d'averses, mélangées à des flocons de neige ou à des gouttes de pluie.

Neige en grains (sleet). Précipitation de très petits grains de glace, blancs et opaques. Ces grains sont relativement plats ou allongés; leur diamètre est généralement inférieur à un millimètre. Ils ne rebondissent pas et ne se brisent pas. Ils tombent en petites quantités, le plus souvent d'un stratus ou d'un brouillard, jamais sous formes d'averses.

Granules de glace ou grésil. Précipitation de granules de glace transparents ou translucides, de forme sphérique ou irrégulière, rarement conique, et dont le diamètre est inférieur ou au plus égal à 5 mm. Ce sont des gouttes de pluie qui se congèlent au voisinage du sol (granules de glace) ou des granules de neige enrobés d'une fine couche de glace (grésil). Ces granules rebondissent généralement lorsqu'ils frappent un sol dur.

Grêle (hail). Précipitation de granules ou de morceaux de glace (grêlons) dont le diamètre est de l'ordre de 5 à 50 mm, parfois plus, et qui tombent soit séparés les uns des autres, soit agglomérés en blocs irréguliers. Le record est un bloc de glace de 9m de longueur qui tomba en Angleterre à la fin du XIXeme siècle (avant l'invention des avions). Son origine reste un mystère. En haute altitude, dans les cumulonimbus, les grêlons peuvent atteindre 14 cm de diamètre.

Un cristal de neige et des grêlons gros comme des oeufs. Celui de droite, tombé  le 29 avril 1978 à Ada en Oklahoma mesure environ 11 cm de diamètre, c'est exceptionnel ! Documents Patricia Rasmussen/ITS-Caltech, Don Kozdron et NOAA Photo Library.

On a établit qu'un grêlon de 2 cm de diamètre tombant naturellement était animé d'une vitesse propre de 60 km/h. Un grêlon de 7 cm, gros comme un oeuf de poule, tombe à une vitesse de 135 km/h. Certaines régions de montagne en voie tomber périodiquement, surtout en été. A 60 km/h, l'impact de tels grêlons peut réduire les cultures les plus fragiles en charpie. A 135 km/h, les cultures sont hachées menues, les grêlons brisent les façades vitrées, font éclater les pares-brises et transforment votre carrosserie en tôle ondulée. Ils peuvent tuer net un individu et au mieux provoquer de douloureuses échymoses. Nous verrons plus bas que leur impact sur les avions n'est pas non plus sans conséquences.

Prismes de glace. Chute de cristaux de glace non ramifiés, ayant la forme d'aiguilles, de colonnes ou de plaques, souvent si ténus qu'ils semblent en suspension dans l'atmosphère. Ces cristaux peuvent tomber par ciel clair.

Rappel de la visibilité dans les précipitations:

Neige : 50 m
Averse forte : 50 m
Grêle, pluie et neige mêlée : 500 m
Bruine : 1000 m
Pluie faible : 1500 m
Pluie modérée : 3000 m

Rappelons pour l'anecdote que les trombes d'eau ou les mini-tornades ont déjà aspiré des poissons d'eau douce ou des grenouilles qui furent transportées à quelques kilomètres de distance, retombant parfois sur des passants. De tels événements se sont produits au XIXeme et au XXeme siècle.

En théorie, une mini-tornade est capable de soulever des poids de 25 kg à plusieurs centaines de mètres d'altitude. Quant aux véritables tornades, nous sommes à une autre échelle, cette fois dévastatrice.

Le tableau suivant indique, pour les diverses précipitations, les genres de nuages qui leur donnent naissance. 

 

Nuages

Précipitations

As

Ns

Sc

St

Cu

Cb

Pluie

a

a

a

 

a

a

Bruine

 

 

 

a

 

 

Neige

a

a

a

 

 

a

Neige roulée

 

 

a

 

 

a

Neige en grains

 

 

 

a

 

 

Granules de glaces

a

a

 

 

 

 

Grésil

 

 

 

 

 

a

Grêle

 

 

 

 

 

a

Prismes de glace°

 

 

 

a

 

 

° Se rencontrent en avion, sous les Ci, Cc, Cs et As.

Constitution du milieu nuageux

Les gouttelettes élémentaires formées par condensation ont un diamètre de l'ordre de 10-3 à 1 micron (1 m = 1/1000 mm). Ces gouttelettes grossissent les unes aux dépens des autres de sorte que dans les nuages les gouttelettes sont réparties en nombre variable suivant leur diamètre qui varie en général de 2 à 50 m (parfois jusqu'à 100 m).

Le nombre de gouttelettes contenues dans un nuage varie de 150 à 500/cm3 soit un espacement entre elles de l'ordre de 1 à 2 mm (environ 100 fois le diamètre des gouttes).

Sous l'effet de la pesanteur, ces gouttelettes ont tendance à tomber. Cette chute est freinée par la résistance de l'air et on peut aisément calculer la vitesse limite de chute des gouttelettes en fonction de leur diamètre :

Diamètre

Vitesse limite de chute

2 m

0.05 cm/s

20 m

5     cm/s

50 m

30     cm/s

100 m

120     cm/s

Ainsi, il faudrait 16 heures pour qu'un nuage formé de gouttelettes de 20 m et dont la base est située à 3000 m tombe jusqu'au sol.

La composante verticale du vent étant du même ordre de grandeur que la vitesse limite de chute des gouttelettes, les nuages restent en suspension dans l'atmosphère.

Il faut donc invoquer d'autres processus physiques pour expliquer la formation de gouttes suffisamment grosses pour donner des précipitations.

Formation des précipitations

Les précipitations et donc les nuages se forment autour de noyaux de condensations qui permettent d'amorcer la réaction de coalescence. Dans les basses couches de l'atmosphère ces noyaux sont constitués d'ordinaire de poussières microscopiques, de déchets industriels, de scories, de grains de sable, de pollens ou encore de molécules de sulfate. Dans la zone de givrage il s'agit de petits morceaux de glace et en haute altitude ces noyaux de condensation peuvent être constitués de molécules organiques voire même de microbes. En effet depuis 1989 on a découvert que des milliards de micro-organismes, bactéries et champignons, peuplaient également la haute atmosphère jusqu'à 60 km d'altitude et migraient au gré des vents d'un continent à l'autre. Tous ces éléments participent à la formation des nuages et le cas échéant à leur précipitation.

Grossissement des gouttelettes

Les gouttelettes élémentaires formées par condensation ont, comme nous venons de le voir, de très faibles dimensions. Les processus de grossissement des gouttelettes qui constituent le milieu nuageux sont très complexes mais les physiciens commencent à les comprendre. Les processus les plus importants font appel à la théorie de Bergeron ainsi qu'au phénomène de coalescence (voir plus bas).

Les précipitations

Tous les nuages ne donnent pas de précipitations. Et des nuages de même genre ne donnent pas toujours des précipitations de même qu'ils n'engendrent pas systématiquement les mêmes précipitations.

Les gouttes d'eau précipitées ont des dimensions variables suivant le type de précipitation :

- goutte d'averse : 5 mm de diamètre

- goutte de pluie : 1 mm de diamètre

- goutellette de bruine : 10 microns de diamètre.

Le rapport des volumes est plus éloquent encore : il faut 1 million de gouttelettes de 10 microns pour former une goutte de pluie de 1 mm; il faut encore 1000 gouttelettes de 100 microns pour former la même goutte de pluie.

Des mesures très précises ont montré que les vitesses limites de chute des gouttes d'eau en fonction de leur diamètre sont les suivantes :

Diamètre

Vitesse limite de chute

0.4 mm

1.62 m/s

1.2 mm

4.03 m/s

2 mm

6.49 m/s

5 mm

9.09 m/s

Les gouttes de diamètre supérieur à 5 mm se fractionnent en tombant dès qu'elles atteignent leur vitesse limite de chute où le stress mécanique l'emporte sur la cohésion moléculaire.

Cette limitation n'intervient pas dans le cas des grêlons; on a pu en observer dont la dimension variait de celle d'une tête d'épingle à celle d'un ballon d'enfant. De plus, on observe parfois des grêlons animés de vitesses de chute très élevées. Ceci s'explique par les violents mouvements descendants de l'air qui accompagnent cette chute.

Bon à savoir

Averse : précipitation intermittente durant moins d'une heure. Elle tombe des nuages à extension verticale.

Pluie : précipitation continue durant plus d'une heure. Les gouttes éclatent et marquent les flaques d'eau (2-3 m/s). Elle tombe des nuages à extension verticale.

Bruine : les gouttelettes tombent uniquement des stratus. Elles ne se brisent pas car elles présentent une tension superficielle élevée.

Il pleut, neige et grêle également au sein des nuages et cela peut provoquer du givrage parfois sévère (plusieurs centimètres d'épaisseur) entre les isothermes de 0° et -15°C.

Théorie de Bergeron

La théorie de Bergeron propose un mécanisme vraisemblable de croissance des gouttelettes aboutissant à la formation des précipitations.

A température égale, la tension de vapeur saturante de l'eau surfondue est supérieure à celle de la glace. De ce fait si, dans un nuage, des gouttelettes d'eau surfondues se trouvent en présence de cristaux de glace à même température, les cristaux de glace se nourrissent aux dépens des gouttelettes d'eau, tombent en absorbant de nouvelles gouttelettes et fondent généralement avant d'atteindre le sol.

La croissance d'une gouttelette par ce processus est très rapide au début et devient de plus en plus lente à mesure que le diamètre croît.

Le grossissement par condensation de vapeur d'eau proposé par Bergeron rend bien compte de la phase initiale de la croissance d'un cristal, mais il ne permet pas d'interpréter l'ensemble du phénomène.

Taille des gouttes d'eau

Ce n'est qu'en 2010 qu'on a établit un lien entre la taille des gouttes d'eau et la vitesse d'impact des molécules les uns contre les autres. En effet, grâce à une chambre de collage permettant de simuler la collision entre des gouttes d'eau installée à l'université Paul Sabatier de Toulouse, le physicien français Sébastien Zamith a découvert que pour adhérer à une goutte d'eau déjà constituée d'une centaine de molécules, la molécule supplémentaire doit toucher l'agrégat avec une certaine vitesse, ni trop faible ni trop élevée.

Si la collision est trop rapide (1.5 picosecondes), la molécule rebondit sur l'agrégat. Si le contact dure trois fois plus longtemps, la molécule s'y colle avec succès. Selon les chercheurs, c'est la vibration des molécules entre elles au sein de la gouttelette qui explique cette fusion. Dans le premier cas, le choc est tellement rapide que les molécules n'ont même pas le temps de se mettre à vibrer. Dans le second cas, sous l'effet des vibrations, les molécules se réorganisent et absorbent la nouvelle venue.

Coalescence

Lorsque le mécanisme de Bergeron intervient, certains éléments privilégiés atteignent une dimension suffisante pour capter au cours de leur chute les gouttes plus petites.

Remarque. En fonction des théories précédentes, la pluie ne peut apparaître que si le nuage contient en même temps des gouttes surfondues et des cristaux de glace; il faut donc que le sommet du nuage soit à température négative. Or, on a pu observer des pluies abondantes issues de nuages (généralement des cumulus) dont le sommet était à température positive.

On pense que de très gros noyaux de condensation sont responsables de ces précipitations; ils jouent donc un rôle analogue à celui des cristaux de glace comme agent de déclenchement de la croissance des gouttelettes.

A gauche l'accroissement du diamètre d'une gouttelette élémentaire par les deux processus précités (théorie de Bergeron et coalescence). La courbe pointillée représente la croissance d'une gouttelette si le mécanisme de Bergeron intervient seul. A droite la structure possible du milieu pluvio-nuageux. Ces gouttelettes demeurent en suspension tant que les mouvements ascendants sont suffisants pour les maintenir.

Aspect du milieu pluvio-nuageux

 Des gouttes ayant un diamètre de 1 à 5 mm peuvent théoriquement exister dans un nuage sans qu'on observe des précipitations; il suffit que les mouvements ascendants soient suffisants pour maintenir en suspension des gouttes d'un tel diamètre.

Evaporation des précipitations

Avion charter martelé par la grêle.

Cette photographie a été prise après l'atterrissage d'un avion charter endommagé par la grêle lors d'un vol dans la région tropicale. La verrière, le bord d'attaque des ailes, les entrées d'air ainsi que l'empennage furent également endommagés. Voyez aussi cet article.

Au cours de leur chute, les gouttes de pluie s'évaporent. Leur vitesse d'évaporation est directement proportionnelle à la température des couches d'air traversées et inversement proportionnelle à l'humidité relative des mêmes couches.

Les grosses gouttes ne subissent que peu de variations tandis que les petites disparaissent complètement si la hauteur de chute est assez grande et l'atmosphère assez sèche.

Aspects opérationnels

Si les précipitations peuvent provoquer du givrage et entraîner des réductions parfois importantes de la visibilité, elles peuvent aussi avoir, sur un avion en vol, un effet de choc non négligeable.

L'érosion causée par la pluie devient de plus en plus sérieuse à mesure que l'avion vole rapidement. On estime que la pluie frappant un avion volant à 550 km/h provoque le même effet qu'une carabine à air comprimé frappant chaque centimètre à raison de 20 coups par seconde. Le degré de l'érosion semble être proportionnel à environ la dixième puissance de la vitesse avec laquelle la goutte frappe l'avion ! Cette vitesse approche celle du son aux extrémités des hélices, des bouts des rotors des hélicoptères et sur toutes les surfaces pour les avions à réaction.

Nous avons vu que la grêle est un phénomène qui peut frapper mortellement. En matière aéronautique, après le givrage et les nuages de cendres, la grêle constitue le plus grand danger au cours d'un vol, pouvant précipiter la chute des petits avions ou sérieusement contrecarrer le vol des avions à réaction.

Un grêlon gros comme un oeuf tombant sur un avion à réaction plonge sur sa cible à une vitesse relative variant entre 600 et 800 km/h. Le grêlon présente une énergie cinétique équivalente à celle assainie par un bon coup de marteau. Cette force est capable de déformer des blindages en acier et de percer du verre feuilleté (verre de sécurité laminé et trempé) !

Si le pilote est surpris par une forte averse de grêle, les grêlons peuvent endommager le nez de l'avion ainsi que son avionique, la verrière, les bords d'attaque des ailes et l'empennage et occasionner de gros dégats comme en témoigne l'image présentée à droite. Il n'y eut heureusement que des dégâts matériels. L'accident est vraiment spectaculaire... comme si l'avion était en plastique !

Les pluies torrentielles

Rappelons que même en Europe, dans nos villes et villages, habiter au fond d'une vallée ou trop près d'un cours d'eau peut être risqué en cas de fortes précipitations et de crue soudaine. En principe, le ministère (cadastre et commune) a répertorié les zones à risque mais des situations exceptionnelles et imprévues peuvent toujours survenir.

Ainsi, le soir du 29 juillet 2014 les radars de l'IRM détectèrent des cellules orageuses enchaînées (par groupe de 2 ou 3 supercellules) associées à de violentes précipitations évoluant vers le centre et le sud-est de la Belgique. Localement les précipitations furent supérieures à 40 litres/m2 par heure dans le Brabant Wallon provoquant des inondations.

A Ittre par exemple, selon un agriculteur il est tombé 69 litres d'eau/m2 en 20 minutes et les pluies torrentielles ont duré 2 heures ! Ces trombes d'eau ont transformé les routes en torrents de boue. L'eau dévalant des collines a  recouvert des centaines d'hectares de 1m à 1.5 m d'eau et dans le fond du village certaines habitations furent noyées sous 4 mètres d'eau et de boue (le 1er étage était inondé). La pression de l'eau forma de grosses vagues qui emporta des masses de plusieurs tonnes, fit exploser des fosses septiques, des portes-fenêtres et des murs en béton, se jouant des voitures comme des fetus de paille, affaissant les sols et déstabilisant les habitations !

Pendant quelques jours le village d'Ittre ressembla à une zone sinistrée et dut être abandonné par ses habitants car la plupart des habitations et commerces de la ville basse étaient insalubres suite aux torrents de boue et de débris qui ont tout détruit et tout emporté.

Pendant la même soirée, un bassin d'orage installé à Schoppach, près d'Arlon, céda sous le débit d'eau et provoqua un petit tusnami dans la rue principale, arrachant des clôtures et des poteaux en béton. Dans certaines régions de Flandres on enregistra plus de 80 litres d'eau/m2 en 24 heures. Pour l'ensemble du pays, on déplora un décès.

Ittre sous les eaux après les violents orages du 29 juillet 2014. Documents B.Koen et M.Durant.

Si la Belgique connaît en moyenne 95 jours d'orage par an principalement concentrés entre mai et septembre, les orages de juillet 2014 furent d'une rare violence; de mémoire d'habitants, une telle dépense d'énergie par la nature ne fut jamais observée depuis au moins 40 ans.

En fait, ici ou ailleurs, toutes les zones basses ou situées à proximité d'un fleuve sont potentiellement à risque en cas d'inondations. Ce n'est pas pour rien que certains riverains bâtissent leur maison sur pilotis, comme le long de la Meuse à Yvoir; ils ont appris la leçon !

De telles catastrophes font dire à certains que c'est une "preuve de plus du changement climatique" ou que le "climat se détraque". Ces avis sont-ils justifiés ?

Dans nos pays la cause de ce type d'inondations n'est pas tant lié au changement climatique mais plutôt à la manière dont les communes gèrent leurs terres : l'établissement du plan d'urbanisme, la taille des systèmes d'évacuation d'eau et des bassins d'orage, la délimitation et le respect des zones inondables, le bétonnage et le goudronnage des voies routières, sans parler d'un habitat de plus en plus peuplé et des médias de plus en plus rapidement informés quand survient une catastrophe.

En revanche, à Venise par exemple les inondations régulières que subit la ville ("acqua alta eccezionale" quand l'eau monte de plus de 1.40m) sont liées à la montée du niveau de la mer et donc aux effets du réchauffement climatique global.

Prochain chapitre

Les masses d'air

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