Les orages : formation

Orage : définition

On désigne en principe sous le nom d'orage toute perturbation atmosphérique donnant lieu à des manifestations électriques discontinues telles que les éclairs, accompagnées de tonnerre sous forme d'un bruit sec ou d'un roulement sourd et éventuellement de précipitations souvent intenses sous forme de pluie, de grêle ou de grésil.
L'Organisation Mondiale de la Météorologie (OMM) définit précisément l'orage comme un météore caractérisé par deux bruits de tonnerre consécutifs et audibles de la surface terrestre. Météo-France le caractérise par l'observation de une ou plusieurs décharges brusques d'électricité atmosphérique se manifestant par un bruit sec et une lueur brève (l'éclair) accompagnés éventuellement de précipitations.

Les nuages d'orage se développent à partir de cumulonimbus ou d'agrégats de cumulonimbus qui peuvent contenir une centaine de milliers de tonnes d'eau, de grêlons et de petits cristaux de glace. Ils diffèrent essentiellement des nuages d'averse, d'abord par l'échelle même de leur expansion verticale et horizontale, mais surtout par le fait qu'ils donnent naissance à des phénomènes électriques.

Les types de temps favorables à la formation d'orages

Deux grands types de temps génèrent la formation d'orages.

L'orage localisé

Il se forme en été, lorsqu'il fait très chaud, avec un fort ensoleillement, et peu de vent. Le sol très chaud favorise alors l'ascendance de l'air.
La densité urbaine accroît le développement de ce type d'orages.

Le front orageux

Un font froid au sol force l'ascendance d'une masse d'air chaud qui se déplace. L'air chaud est alors soulevé en altitude générant une énorme masse convective qui développera plusieurs cellules orageuses.

Le nuage d'orage : le cumulonimbus

© C. Magdelaine / notre-planete.info

L'extension verticale considérable des nuages d'orage, qui atteignent fréquemment la tropopause (entre 8 et 16 km d'altitude suivant la latitude) et parfois même la dépasse, exige en règle générale pour leur formation des masses d'air instable, humide et chaud, donc de forts gradients de température sur des épaisseurs importantes.
Ces nuages peuvent prendre naissance dans une masse d'air chaud, instable et homogène. Ils se développent alors de manière sporadique, mais souvent privilégiée, en cours d'après-midi, au-dessus des endroits où la topographie (montagne) ou la nature du sol (par exemple un bâti dense) favorisent la surchauffe des masses d'air dans les basses couches et donc leur ascension.
Ils peuvent aussi s'étendre "en ligne" ou en bandes étroites suivant la direction du vent dans les basses couches, l'influence du sol étant ici, semble-t-il, moins évidente.
Enfin, quand les masses d'air d'un front chaud, poussées par la circulation générale, sont forcées de s'élever sur un espace de masses d'air froid, des orages se développent si l'air chaud, suffisamment humide, est convectivement instable. Ces orages peuvent se former à n'importe quelle heure de la journée et couvrir une large région. Ils sont facilement reconnaissables, car, le plus souvent, ils se déplacent avec les fronts et peuvent ainsi atteindre des altitudes élevées, ils prennent alors la forme caractéristique d'une enclume.

Structure et développement du nuage d'orage

Si la durée moyenne de vie d'un cumulonimbus modéré générateur d'averses est d'une vingtaine de minutes, celle d'un cumulonimbus orageux est de l'ordre d'une ou deux heures.
On peut schématiser grossièrement l'évolution d'un nuage d'orage en trois étapes : développement, maturité et dissipation.

Le développement

Dans la phase de développement, le nuage, plus chaud que l'air ambiant, monte rapidement ; il accroît l'instabilité propre de la masse d'air originelle au fur et à mesure que la vapeur d'eau se condense en altitude. La chaleur latente de condensation (la condensation dégage de la chaleur) vient ainsi prendre le relais et le nuage atteint rapidement des altitudes où la température extérieure est très au-dessous de 0 °C.
Dans les parties élevées du nuage, des courants ascendants supérieurs à 30 m/s sont alors fréquemment observés. Après avoir dépassé l'isotherme (la ligne imaginaire où la température est de 0 °C), ce stade de développement vertical peut durer encore entre dix et vingt minutes, pendant lesquelles le nuage peut grimper jusqu'à une altitude de 10 km, et parfois davantage, à la limite donc de la tropopause. Par examen au radar, on observe des échos importants, correspondant à la présence de précipitations solides ou liquides, maintenues en altitude par les fortes vitesses verticales des ascendances. Les plus grosses gouttes de pluie, à la limite de rupture par instabilité, ne dépassent pas 5 à 6 mm de diamètre, ce qui correspond à une vitesse limite de chute de l'ordre de 8 m/s au niveau du sol. Seuls les grêlons de diamètre et de poids plus importants ont des vitesses pouvant atteindre 20 ou 30 m/s.

Schéma des trois phases dans le cycle de vie du cumulonimbus. Ce schéma un peu simplifié du nuage d'orage correspond à des structures isolées de cumulonimbus, de développement relativement modéré pour un nuage de ce type. En fait, on se trouve le plus souvent en présence, dans le même nuage, d'un amas imbriqué de cellules ascendantes et descendantes. Seul l'usage du radar permet de préciser la structure interne de ce conglomérat de nuages orageux dont la couverture au sol peut atteindre, dans les orages frontaux, des dizaines et parfois des centaines de kilomètres carrés.
© Pour la Science, 1996

La maturité

Lorsque l'accumulation de l'eau, à l'état solide ou liquide, devient telle que les courants ascendants ne peuvent plus la supporter, la pluie est prête à tomber et la phase de maturité commence avec les premières précipitations.
Des courants descendants prennent naissance, par suite de l'entraînement visqueux de l'air par les éléments de précipitation.
Ces courants descendants n'atteignent cependant pas les vitesses des courants ascendants. Ils sont localisés en général près du milieu de la partie frontale avant du nuage, sur sa trajectoire de déplacement ; l'air froid ainsi amené au sol se répand vers l'avant du nuage, et donne à l'observateur la sensation caractéristique d'un renversement de la direction du vent au sol, correspondant à une baisse de température. Immédiatement après, la pluie commence à tomber et s'intensifie rapidement puisque c'est dans cette zone frontale descendante que se localise au maximum la chute des éléments précipitants. Associés à cette zone de précipitation, on observe des rafales de vent et un accroissement brutal et passager de la pression. Pendant cette phase de maturité, dont la durée peut s'étendre d'un quart d'heure à plus d'une heure, la cellule orageuse peut se développer encore et atteindre des altitudes de 9 km à 15 km. Parfois, lorsque la mésostructure des cellules convectives du nuage est favorable et que la concentration en noyaux glaçogènes est insuffisante, la grêle peut se former, sous certaines conditions encore mal comprises.

La dissipation

Les courants ascendants et descendants coexistent ; ceux-ci finissent par l'emporter, et la phase de dissipation prend place. Les précipitations qui viennent de tomber au sol s'évaporent, refroidissant les basses couches de l'atmosphère et contraignant donc l'ascension.
Le nuage répand alors ses dernières précipitations décroissantes avec le déclin des ascendances qui les alimentaient. Il se "dissout" par évaporation dans le réchauffement adiabatique des courants descendants, ou bien se fragmente, en laissant un voile de cirrus à la partie supérieure et des débris inorganisés de nuages au voisinage du sol.

Cette dernière phase marque la fin de l'orage qui aura duré, la plupart du temps, environ 20 minutes. Exceptionnellement, certains orages peuvent durer plusieurs heures.

L'orage : les éclairs

L'éclair

L'éclair, phénomène optique visualisant les mécanismes de décharge, peut se produire indifféremment soit entre charges de signes contraires, réparties entre cellules voisines ou dans une même cellule orageuse, soit directement entre la Terre et les charges réparties dans le nuage.
A l'intérieur des cumulonimbus, un processus d'électrification complexe aboutit à la séparation de charges positives et négatives, et donc à la création d'un champ électrique intense ; dès que ce champ atteint une valeur suffisante, il se forme un canal ionisé appelé traceur descendant qui se propage par bonds successifs du nuage vers le sol. Au sol, la température d'un éclair atteint les 30 000°C, une température comparable à la chromosphère du soleil...
Lorsque le traceur effectue la jonction avec le sol, une impulsion de courant très intense (avec une tension de l'ordre de dizaines de millions de volts pour 30 000 ampères) se propage depuis le sol vers le nuage : c'est l'arc de retour. Cet arc électrique est le phénomène le plus énergétique et le plus destructeur de l'éclair. Sa vitesse varie entre 10 000 à 270 000 km/s (vitesse proche de celle de la lumière).
La durée totale d'un éclair est de l'ordre du quart de seconde, avec un mécanisme relativement complexe.

La couleur de l'éclair renseigne sur la composition de l'air ambiant :

• Un éclair rouge indique de la pluie dans l'air.
• Un éclair bleu la présence de grêle.
• Un éclair jaune est un signe d'une quantité importante de poussière dans l'atmosphère.
• Un éclair blanc est signe d'un air très sec.

Environ 80% des éclairs se produisent entre nuages ou au sein du même nuage, 20% du sol vers le nuage, leur longueur varie entre 100 m et 20 km avec une vitesse moyenne d'environ 40 000 km/s.

Le tonnerre

Le bruit violent qui accompagne l'éclair s'appelle le tonnerre. Il est dû à l'air chauffé et dilaté par la décharge électrique.

On peut calculer sa distance par rapport à un orage en se basant sur le temps qui sépare l'éclair du tonnerre. Lorsque l'on aperçoit un éclair, on compte en secondes le temps qui le sépare du coup de tonnerre. On divise ensuite ce temps par 3 pour obtenir une distance approximative.

Eclairs de rayon gamma

En fonctionnant comme d'énormes accélérateurs de particules, certains orages émettent des éclairs de rayons gamma ainsi que des électrons et positrons à forte intensité énergétique. Les scientifiques pensent désormais que la plupart de ces éclairs de rayon gamma produisent des rayons de particules et de l'antimatière.

Le sprite

© NASA / Université d'Alaska

Un sprite est phénomène lumineux qui accompagne une décharge électrostatique entre le haut d'un nuage d'orage et le bas de l'ionosphère (90 km). Il a généralement lieu quelques millisecondes après un éclair d'orage très intense. Ces événements ont été découverts fortuitement il y a seulement une vingtaine d'années. Ils font actuellement l'objet d'études très poussées pour comprendre leur mécanisme de génération car ils correspondent à un formidable échange d'énergie entre l'atmosphère et l'ionosphère (ELF and VLF signatures of sprites registered onboard the low altitude satellite DEMETER)
Pour mieux comprendre ces phénomènes, le projet TARANIS (Tool for the Analysis of RAdiations from light NIngs and Sprites) a été mis en place au CNES. Celui-ci étudie les transferts impulsifs d'énergie, entre l'atmosphère et l'environnement spatial de la Terre, qui sont observés au-dessus des régions orageuses.