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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. 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. 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.
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:
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. 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 :
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 et assez mal connus. Toutefois, 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 :
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. 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. 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, sur un avion en vol, un effet de choc non négligeable.
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