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Météorologie élémentaire
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 météorologie, on différencie l'averse de la pluie (ou de la bruine) par sa durée : une averse dure maximum 1 heure. Au-delà on considère qu'il s'agit de pluie (ou de bruine). 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. Il existe des endroits dans le monde où les pluies sont 100 à 400 fois plus abondantes ! Pour rappel, 1 cm de neige correspond à 1 mm d'eau ou 1 litre/m2. Définitions Pluie (rain). Précipitation de particules d'eau liquide d'un diamètre supérieur à 0.5 mm. 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 (d'un 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 9 m de longueur qui tomba en Angleterre à la fin du XIXe 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. On a établi 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. Dans les régions d'altitude comme dans les Alpes, les averses accompagnées de grêlons sont fréquentes en été. A 60 km/h, l'impact des grêlons peut endommager les cultures. A 135 km/h, les cultures sont hachées menues, les grêlons brisent les façades vitrées, font éclater les pares-brises et transforment les carrosseries 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:
Rappelons pour l'anecdote que les trombes d'eau ou les mini-tornades ont déjà aspiré des poissons d'eau douce, des grenouilles, des serpents, des asticots ainsi que du foin, des graines, des noix, de la viande et des cailloux qui furent transportés à quelques kilomètres de distance, retombant parfois sur des passants. De tels événements sont documentés depuis la Grèce antique. De nos jours, on rapporte que pendant des tornades, des débris sont retombés à 320 km de distance et un panneau de signalisation en métal retomba à 80 km de distance (cf. Smithsonian). 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.
° 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 μm = 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 μm (parfois jusqu'à 100 μm). 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 :
Ainsi, il faudrait 16 heures pour qu'un nuage formé de gouttelettes de 20 μm 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 condensation qui permettent d'amorcer la réaction de coalescence. Dans les basses couches de l'atmosphère ces noyaux sont constitués d'ordinaire de poussière microscopique, 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.
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. 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.
A voir : Averse
à São Thomé das Letras (filmée à Pousada Arco-Íris au Brésil, le 16 février 2016 en fin d'après-midi)
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 établit un lien entre la taille des gouttes d'eau et la vitesse d'impact des molécules les unes 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 découvrit 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 picoseconde), 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.
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
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 provoquer des dégâts importants sur les avions en vol. 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 ! Notons qu'au niveau du sol, dans des conditions d'orage normales un grêlon de 4 cm de diamètre est animé d'une vitesse de 100 km/h tandis qu'un grêlon de 8 cm de diamètre atteint une vitesse de 150 km/h et peut former un petit cratère. Sachant qu'une averse de grêle ou de grêlons dure jusqu'à 10 minutes, une personne peut mourir sous l'impact des grêlons si elle ne se met pas à l'abri. Régulièrement des moutons sont tués par la grêle et des pare-brises sont transpercés. Quelques
chutes de grêle spectaculaires Arizona 2010, USA 2015, Colorado 2015 A voir : Macro photos de flocons de neige A lire : Snowflake Structure Still Mystifies Physicists, Scientific American, 2021
Enfin, le grêlon le plus gros trouvé à ce jour et dont une photo est présentée ci-dessus à droite est tombé le 23 juillet 2010 à Vivian, dans le Dakota du Sud. Il mesurait 20.3 cm de diamètre (circonférence de 47.3 cm) et pesait 0.88 kg. Sous l'impact, il forma un cratère de 25 cm de diamètre ! Le record non officiel serait un grêlon de 23 cm tombé à Cordoba en Argentine le 8 février 2018. Si de gros grêlons peuvent briser des pares-brises et transformer une carrosserie en tôle ondulée, il va de soi qu'une personne exposée à une averse de grêlons de plusieurs centimètres de diamètre tombant à plus de 100 km/h et pesant plusieurs centaines de grammes peut avoir des hématômes et même de graves blessures. Durant l'été 2022, une enfant est morte des suites de blessures à la tête occasionnées par la chute de très gros grêlons. Les pluies torrentielles et les crues 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, les autorités publiques (cadastre et commune) ont répertorié les zones à risque mais des situations exceptionnelles et imprévues peuvent toujours survenir. Ainsi régulièrement, l'Europe est frappée par des supercellules orageuses associées à de violentes précipitations qui peuvent déverser jusqu'à 50 litres d'eau par mètre carré pendant quelques heures. En 2014, selon un agriculteur habitant Ittre en Brabant wallon, il est même tombé 69 litres d'eau/m2 en 20 minutes et les pluies torrentielles ont duré 2 heures !
Ce genre de catastrophe forme des vagues capables d'emporter des masses de plusieurs tonnes, de faire exploser des fosses septiques, des portes-fenêtres et renverser des murs en béton, se jouant des voitures comme des fetus de paille, affaissant les sols et déstabilisant les habitations ! 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 ! Ces catastrophes devenant plus fréquentes chaque décennie, on a tendance à dire que "c'est une preuve de plus du changement climatique" et que le "climat se détraque". Ces avis sont-ils justifiés ? Ces évènements se produisent pour deux principales raisons. D'abord, il y a effectivement l'effet du changement climatique. L'atmosphère se réchauffant au-delà de la normale (cf. l'effet de serre), elle accumule plus d'énergie et le système climatique passe dans d'autres régimes. On observe alors des évènements extrêmes imprévisibles plus fréquemment, que ce soit des averses intenses, des glissements de terrain, des inondations, des canicules, des sécheresses, des nuits glaciales, etc. La deuxième cause de ces inondations est liée à l'urbanisation et la manière dont les communes gèrent leurs terres. Toutes les personnes âgées ont connu des fleuves en crue avant ou après la Seconde guerre mondiale et même au cours des dernières décennies. Mais à l'époque, il n'y a avait pas autant de barrages sur les fleuves, les règlements communaux étaient moins nombreux et moins stricts, les données statistiques étaient moins nombreuses et la montée du niveau de la mer n'était pas encore d'actualité. De nos jours, dans des pays toujours plus peuplés, l'établissement du plan d'urbanisme sans tenir compte de la géographie et de la nature, des systèmes d'évacuation d'eau et des bassins d'orage sous-dimensionnés, le non respect des zones inondables, le bétonnage des cours d'eau et le goudronnage des voies routières, sont autant de causes possibles. En revanche, à Venise les inondations régulières que subit la ville ("acqua alta eccezionale" quand l'eau monte de plus de 1.40 m) sont liées à la montée du niveau de la mer et donc aux effets du réchauffement climatique global. De nos jours Venise subit l'acqua alta jusqu'à 12 fois par an avec une fréquence plus élevée en novembre. Prochain chapitre
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