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Centre d'Études et de Recherches
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sur les Phénomènes Inexpliqués
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Un orage, de l'ancien français ore qui
signifiait
vent, est une perturbation
atmosphérique d'origine
convective associée à un type de
nuage particulier : le
cumulonimbus. Ce dernier est à forte extension
verticale, il engendre des
pluies fortes à diluviennes, des décharges
électriques de
foudre accompagnées de
tonnerre. Dans des cas extrêmes, l'orage peut
produire des chutes de
grêle, des vents très violents et, rarement des
tornades.
Mécanisme de formation
Comme dans le cas des
averses, les orages se forment dans une masse d'air
instable lorsqu'il y a une réserve importante de chaleur
et d'humidité
au niveau du sol et d'air plus sec et froid en altitude.
Une parcelle d'air plus chaude que l'environnement entre
en convection. Tant qu'elle n'est pas saturée, sa
température change selon le taux
adiabatique sec. À partir de la saturation, la
vapeur d'eau contenue dans la parcelle d'air condense
selon les lois de la
thermodynamique ce qui relâche de la
chaleur latente et son changement de température
avec la pression est alors celui qu'on appelle le taux
pseudo-adiabatique humide. L'accélération
ascensionnelle se poursuit jusqu'à ce que la parcelle
arrive à un niveau où sa température égale celle de
l'air environnant. Ensuite, elle se met à décélérer et
le sommet du nuage est atteint quand la particule
atteint une vitesse nulle.
L'Énergie
Potentielle de Convection Disponible (EPCD) pour ce
type de nuages est plus grande que pour une averse et
permet de développer des sommets de nuages qui
atteindront une plus grande
altitude. Ceci est important car les gouttes qui
s'élèvent dans le
courant ascendant perdent des électrons par
collision comme dans un
accélérateur de Van de Graff. Un plus haut sommet
permet d'atteindre une température inférieure à -20 °C
nécessaire pour donner un grand nombre de cristaux de
glace. Ces derniers sont de meilleurs producteurs et
transporteurs de charge ce qui permet une différence de
potentiel suffisante entre la base et le sommet du nuage
pour dépasser le seuil de
claquage de l'air et donner de la
foudre.
L'instabilité potentielle de l'air n'est pas le seul
critère, il faut généralement un déclencheur. Par
exemple, le passage d'un front froid ou le réchauffement
diurne. Un tel déclencheur peut agir à la surface ou
en altitude ce qui fait que les orages peuvent se
développer près du sol ou être basés aux niveaux moyens
de l'atmosphère. Les orages peuvent donc se produire en
toute saison pourvu que les conditions soient remplies.
Hormis les régions équatoriales, la période la plus
active va de la fin du printemps au début de l'automne
car c'est à ce moment que l'atmosphère est la plus
chaude et humide.
On classe les orages en plusieurs catégories selon l'Énergie
Potentielle de Convection Disponible (EPCD) et le
cisaillement du vent avec l'altitude:
Au stade mature, une enclume se forme au sommet du
nuage qui prend alors le nom de
cumulonimbus capillatus. Cette enclume est provoquée
par l'étalement du nuage suite à l'inversion de
température à la
tropopause et à la présence de forts vents à cette
altitude. Cependant, le cœur de précipitations dans le
nuage, qui se trouve à une grande altitude, commence à
être trop pesant pour que le courant ascendant puisse le
soutenir. La pluie mêlée de petits grêlons commence
alors à redescendre vers le sol, ce qui provoquera
bientôt la dissipation.
En effet, cette précipitation descend dans le courant
ascendant et s'évapore partiellement en refroidissant
l'air qui l'entoure. Ce dernier devient alors plus froid
que l'environnement, et par
poussée négative d'Archimède, accélère vers le sol.
Graduellement le courant descendant s'intensifie et
supplante le courant ascendant. Après la pluie, l'orage
unicellulaire se dissipe rapidement créant une zone plus
fraîche autour de lui.
Ce type d'orages est le plus fréquent. Il peut être
associé à une forte
averse et des rafales de vent. Les pluies ne sont
presque jamais torrentielles et les chutes de gros
grêlons sont rarissimes. Dans les régions arides du
globe, l'évaporation peut être telle que la pluie
n'atteint pas le sol et forme de la
virga sous le
cumulonimbus.Classification des orages
Orage ordinaire et
pulsatif
Lorsque la force et la direction des vents augmentent avec l'altitude de façon linéaire, le courant ascendant de convection n'est plus à la même position que le courant descendant avec la précipitation. Ceci produit un front de rafale qui s'éloigne en arc du cœur de précipitations et repousse la zone d'ascension. Un surplomb de précipitation se forme donc généralement dans le quadrant sud-ouest de la cellule mère dans l'hémisphère nord alors que les vents dominants de surface viennent de cette direction. Comme le front de rafale se dissocie avec le temps de la cellule initiale en formant des cellules filles, le multicellulaire forme donc une ligne d'orages à différents stades de développement.
La structure radar de ce type d'orage est caractérisée par des surplombs sur la partie sud-ouest d'une ligne de fort échos et ces surplombs semblent se déplacer dans cette direction alors que la ligne se déplace à 30° et 70 % de la vitesse des vents dans la couche où se produisent les orages.
En général, l'EPCD est moyen dans ce type d'orage, soit entre 800 et 1 500 J/Kg. Selon l'énergie et l'humidité disponibles, ce type d'orage peut donner des rafales de vents violentes, des pluies diluviennes et très rarement des tornades.
Lorsque le cisaillement des vents tourne avec l'altitude, on peut arriver à une situation où on a un renforcement du mouvement vertical sous le courant ascendant et une synchronisation entre le front de rafales descendantes et le courant ascendant. De plus, si l'énergie potentielle convective disponible monte au-dessus de 1 500 J/kg, le courant ascendant permettra une très large extension verticale (jusqu'à plus de 15 km). Ceci donne des cellules orageuses indépendantes en équilibre stable entre l'entrée et la sortie des courants qui leur permettent de vivre très longtemps. Elles peuvent produire de la grosse grêle, des vents destructeurs et des pluies torrentielles. De plus, si un cisaillement horizontal du vent en surface est transformé en tourbillon vertical par le courant ascendant, ces supercellules peuvent produire des tornades si la rotation est accentuée par le courant descendant. Des expériences ont également montrées que la densité de coups de foudre à l'intérieur d'un orage supercellulaire donne un trou de foudre dans le courant ascendant et la voûte d'échos faibles.
On note quatre types d'orages supercellulaires, classés selon leur intensité de précipitation ou leur extension verticale :
Supercellule classique: c'est la forme la plus typique d'une supercellule décrite précédemment.
Mini-supercellule (LT pour Low Topped en anglais):
caractérisée par une hauteur de tropopause plus faible et généralement une EPCD (Energie Potentielle Convective Disponible) plus modérée. Elles se produisent en général dans des conditions atmosphériques plus froides comme au printemps et à l'automne. Le cisaillement et la présence d'un mésocyclone sont par contre bien présents car le cisaillement des vents est alors plus important. Elles sont aussi appelées microsupercellules.
Supercellule à faible précipitation (LP en anglais pour Low Precipitation) :
caractéristique des endroits plus secs comme les Prairies canadiennes et les Grandes Plaines américaines, elles ont une base très haute au-dessus du sol et une grande extension verticale mais leur dimension horizontale est faible. Le taux de précipitation vu au radar, dans le nuage et sous celui-ci, est peu élevé et il est souvent difficile d'y voir une rotation. Toutefois, il peut se produire une chute de gros grêlons qui engendrent peu d'échos radar. La colonne de pluie est séparée de la zone en rotation et de celle de grêle. Ces cellules orageuses peuvent donner tous les éléments violents mentionnés antérieurement mais le plus probable est la grêle;
Supercellule à forte précipitation (HP pour Hight Precipitation en anglais) :
elles se forment dans un environnement riche en humidité. Elles sont plus étendues horizontalement, leur base est le plus souvent obscurcie par la pluie et on ne distingue souvent pas les zones de pluie, grêle et de rotation. Ils donnent surtout des pluies torrentielles, des rafales descendantes et des tornades faibles à modérées, mais sont très dangereuses car les tornades sont dans une supercellule HP noyées dans le coeur des précipitations, ce qui rend la tornade presque invisible. La grêle y est moins probable.
Lorsque des orages isolés se rassemblent en une ligne
et que cette ligne se déplace avec le vent moyen dans
l'atmosphère, on a affaire à une ligne de grain dont
l'extrême est le
derecho. Une telle ligne produit un
front de rafales qui s'organise en ligne à l'avant
de la convection. Il est renforcé par la
subsidence du
courant-jet des niveaux moyens qui est rabattu vers
le sol. En effet, l'entrée de ce dernier dans le nuage y
amène de l'air froid et sec de l'environnement ce qui
est en équilibre négatif selon la poussée d'Archimède.
La coupe horizontale à travers une telle ligne, dans le haut de l'image, montre donc de forts gradients de réflectivité (taux de précipitations) sur l'avant de la ligne. Sur la partie du bas on voit une coupe horizontal où des encoches derrière la ligne donne une forme ondulée à celle-ci. Ces encoches sont créées là où le jet assèche la précipitation en descendant. Il y a généralement des reformations d'orages en amont de la ligne principale avec la rafale descendante. La coupe verticale montre que les orages sont suivis d'une zone continue et moins intense associé à des précipitations stratiformes et la position du jet de niveau moyen descendant vers le sol.
Selon l'EPCD et le cisaillement des vents avec l'altitude, une ligne de grain donnera des vents plus ou moins forts le long de la ligne. Ces vents peuvent être dévastateurs. Les pluies diluviennes ne durent que très peu de temps au passage de la ligne mais des quantités importantes peuvent persister dans la partie stratiforme à l'arrière. Les autres phénomènes violents comme la grêle et les tornades sont plus rares.
Complexe orageux se formant généralement en fin de journée à partir d'orages dispersés. Il atteint son apogée durant la nuit alors qu'il s'organise comme une large zone circulaire. On les définis comme ayant:
Ces systèmes sont fréquents dans les plaines américaines durant l'été. Ils dérivent durant la nuit dans le flux d'altitude et donnent principalement des précipitations intenses causant des inondations sur de larges régions. De la fin avril à octobre 1993, les inondations qui ont sévi tout le long du bassin du fleuve Mississippi, des Grands Lacs à la Nouvelle-Orléans, ont été en grande partie causées par des CCM à répétition durant plusieurs semaines au début de l'été (Inondation du Midwest américain de 1993)
Les orages sont potentiellement dangereux car ils sont le lieu d'important mouvements verticaux, de foudre, de vents forts et de précipitations de différents types. Leur apparition est très rapide et peut prendre par surprise les animaux et les humains.
Il est extrêmement dangereux de voler près ou sous des orages. Les courants ascendants sous les cumulonimbus calvus isolés lors d'orages unicellulaires, sont parfois utilisés par les pilotes de planeur. Toutefois, ces nuages qui ont un diamètre de quelques kilomètres, peuvent avoir des courants ascendants de 10 à 15 m/s qui aspirent le planeur au sein du nuage. Si le planeur n'est pas équipé pour le vol aux instruments (IFR), le pilote perd tout repère visuel et le planeur peut se mettre rapidement dans une posture dangereuse. Lors de leur dissipation, l'air devient très stable près des restants du nuage, il n'y a alors plus de courants ascendants et la région devient inutilisable pour les pilotes de planeur.
Certains pilotes de planeurs ont évolué le long de la ligne de cumulonimbus où se produisent des courants ascendants comme le long d'une montagne. Comme une ligne d'orages multicellulaires se déplace, il est impossible de revenir à l'aérodrome de départ sans traverser la ligne d'orages et l'atterrissage dans un champ est périlleux car l'orage produit des rafales descendantes destructrices. Dans certains cas, les planeurs ont pu être retournés et détruits après l'atterrissage dans le champ par la ligne d'orages. Finalement, les orages supercellulaires sont incompatibles avec la pratique du vol à voile à cause des phénomènes extrêmes qui peuvent se produire.
Les avions doivent éviter les orages pour les mêmes raisons. Ceci est particulièrement vrai lors du décollage et de l'atterrissage alors que la vitesse de l'appareil est plus proche de celle de décrochage et qu'une rafale de dos ou une rafale descendante peut faire décrocher l'appareil et il risque de s'écraser du fait de la proximité du sol. En vol, les orages provoquent des turbulences incompatibles avec le transport de passagers, ainsi que des risques de givrage de la cellule et des moteurs. Les avions évitent donc les orages.
Les mouvements verticaux sont également dangereux pour les parachutistes qui peuvent être aspirés dans le courant ascendant de l'orage. Ils sont non seulement ballottés violemment mais vont se retrouver à des hauteurs où la température est bien en dessous du point de congélation dans une atmosphère remplie d'eau surfondue et de grêlons. Gelures et hypothermie en résultent, et même la mort.
Naturellement, les conditions à l'échelle synoptique organisent la convection également. Ce n'est pas partout à l'équateur où les conditions sont favorables à la formation des orages. Ainsi, la zone de convergence intertropicale, où convergent les alizés, donne le soulèvement nécessaire pour la formation d'orages assez continuels mais au nord et au sud de celle-ci on a un mouvement descendant de l'air qui dégage le ciel. De la même manière, les eaux des courants marins froids inhibent les orages (ex. côte ouest de l'Amérique du Nord et du Sud) alors que les eaux chaudes les favorisent (ex. le Gulf Stream où se déplacent les ouragans).
Dans les latitudes moyennes, les systèmes frontaux amènent également en contact des masses d'air froid et chaud ce qui va créer les conditions favorables au développement orageux. Finalement, des effets locaux comme le régime de brise côtière, le soulèvement orographique et le réchauffement différentiel vont créer des conditions favorables localement à la convection.