I. Formation du cumulonimbus

A/ Qu'est ce qu'un cumulonimbus et comment celui-ci se forme ?

Nous savons que les orages se forment dans des cumulus qui sont gonflés jusqu'au sommet de la troposphère et qui forment des montagnes d'humidités, à savoir les cumulonimbus.

Les Cumulonimbus sont des nuages qui " naissent " en basse altitude entre 0 et 2 km ou de 2 à 7km, leur sommet se trouve entre 5 et 15 km. Leur épaisseur, qui est souvent de 7km, est très épaisse. Il possède une des plus grande extension verticale dans la famille des nuages. Sa base se situe de quelques centaines de mètres à 2000m du sol. Il peut culminer de 8000m à 15000m car son sommet peut parfois dépasser la tropopause.

Les cumulonimbus sont des nuages d'origine convective donc leur évolution se fait par convection. Il s'agit en fait de cumulus de très forte extension verticale dont la partie supérieure est constituée de cristaux de glace. La formation des orages est favorisée par des conditions chaudes et humides près de la surface, mais plus froides et sèches en altitude. Les cumulonimbus dits de masse d'air (typiquement les orages en été de fin d'après-midi), qui sont relativement bénins, se forment suite à la convection causée par le réchauffement solaire de l'air près du sol.

Il existe plusieurs sortes de cumulonimbus :

-en fin d'existence, on parle de cumulonimbus capillatus ( sa partie supérieure ressemble à une enclume )

-il y a aussi le cumulonimbus calvus

-le cumulonimbus praepitatio

-le cumulonimbus virga

-le cumulonimbus incus

-le cumulonimbus pannus

-le cumulonimbus mamatus

-le cumulonimbus pileus

-le cumulonimbus velum

-le cumulonimbus arcus

Et pour finir, le cumulonimbus tuba.

Ils sont plus au moins dangereux.

Quand dans le cumulus, l'air devient instable, un courant ascendant prédomine dans toute la cellule et va former un cumulonimbus. Le cumulonimbus est souvent associé à des phénomènes violents tels que les tornades, les orages...

Il y a : -des courants ascendants d'air chaud de plus 100 km/h

Un courant ascendant est un mouvement de l'air dirigé vers le haut. Il assure la croissance verticale et latérale des cummulonimbus. Sa vitesse d'ascension est proportionnelle à l'énergie convective potentielle disponible et dépend donc de la quantité de chaleur et d'humidité contenue dans la moitié inférieure de la troposphère. Ainsi, de l'air instable mais très sec dans les basses couches, surmonté d'une tranche d'air humide à l'étage moyen, ne permettra pas le développement de courants ascendants très énergiques. Au contraire, de l'air chaud et très humide depuis l'étage inférieur jusqu'à l'étage moyen favorisera des développements cumuliformes denses et rapides propres à l'éclosion d'orages intenses. La vitesse moyenne d'un courant ascendant est de l'ordre de 30 à 40km/h dans un orage ordinaire, mais peut atteindre 100 à 120km/h dans un orage violent.
L'alimentation du courant ascendant principal se fait par le flux entrant où il y a une grande quantité d'air instable et dans la partie la plus sombre, parfois la plus basse et sans pluie de la base du cummulonimbus. Le courant ascendant principal se produit généralement lorsque le flux d'air chaud et humide principal entre en antagonisme avec le courant frais et descendant d'une zone de précipitation, celui-ci subit un soulèvement forcé par l'air frais en même temps qu'un apport en humidité, ce qui favorise l'abaissement du nivo de condensation et donc de la base nuageuse.
Un courant ascendant se traduit par:
-la formation d'une tour cumuliforme.               
-une tour très compacte dont le sommet reste bien délimité sur le ciel est un facteur de forte instabilité et donc d'un puissant courant ascendant
-un sommet aux contours mal définis est l'indice d'un manque de chaleur ou d'humidité                                                                                                             

-une tour cumiliforme très étroite et se propageant verticalement vers de hautes altitudes en quelques minutes mais se désagrégeant aussi vite est le signe d'un courant ascendant énergique.
               

-des courants descendants d'air froid (cellule convective).

Un courant descendant est, pour l'observateur au sol, l'iruption soudaine d'un courant d'air frais ou froid aux abords d'un orage. Il est la réponse négative du courant ascendant et, au même niveau que celui-ci, fait partie du phénomène de la convection. Un courant descendant s'instaure dès la formation du moindre cumulus.
La naissance d'un tel courant débute lorsque le poids de l'air dû à l'accumulation des précipitations, dans la partie inférieure du nuage orageux, provoque un mouvement de celui-ci vers le bas. L'évaporation des précipitations au sein d'air plus sec induit un refroidissement qui influence également ce mouvement. Il existe de nombreux facteurs comme la dimension et la densité de la cellule orageuse, la quantité et les caractéristiques des précipitations, l'orientation et la vitesse des ventes à l'étage moyen, qui favorisent l'apparition de violents courants descendants, particulièrement lorsqu'une injection d'air sec pénètre au niveau moyen du cumulonimbus(4000m) et se propage sous le courant ascendant principal où siège les précipitations. Dans ce type de configuration, le refroidissement causé par la forte proportion d'hydrométéores évaporés produit alors un courant descendant intense et durable.
Le courant descendant principal est le courant relatif à l'affaissement général des précipitations. Il existe, en fait, autour des orages, une multitude de courants descendants secondaires.

Au sommet la température est très basse comme la tropopause est au-dessous de 0°C. Il y a donc une grande différence de températures entre le sommet et le bas du cumulonimbus. Quand le nuage a atteint l'altitude maximum un violent courent descendant se forme entraînent des chutes de pluie ou de grêle à partir du sommet congelé et aplati du nuage (l'enclume). Le courant descendant d'air froid finit par écraser le courant ascendant d'air chaud alimentant le nuage.

B/ L'électralisation du cumulonimbus

Nous savons que le cummulonimbus est formé de centaines de millions de gouttelettes d'eau, de cristaux de glace, de neige et de grêlons. Du fait des mouvements verticaux violents qui l'animent, les grosses particules (grêlons, gouttes de pluie…) entrent en collision avec les cristaux de glace. Le frottement des différentes particules entre elles provoque la création de charges électrostatiques qui se déposent dans plusieurs endroits du nuage. Les petits cristaux de glace positifs les plus légers sont aspirés par les courants ascendants, puis se dispersent dans la partie supérieure pendant que les gouttes d'eau les plus lourdes, porteuses de charges négatives, sont attirées vers le bas du nuage.

Dans la partie inférieure nous trouvons des gouttes d'eau ou de la neige, dans la partie centrale de la glace et de l'eau en surfusion( eau restant liquide à des températures très inférieur à 0°C et pour finir, dans la partie supérieure nous trouvons des cristaux de glace.

C/ Les orages en général

Pour qu'il y est formation d'un orage, il faut qu'une masse d'air humide s'élève rapidement, en s'élevant l'air se refroidit et se condense.
Cette condensation provoque un dégagement de chaleur latente, ainsi l'air saturé devient plus chaud que l'air ambiant et continue donc de s'élever naturellement: on parle de cellule convective qui donne forme à des cumulus ou des cumulonimbus. Lorsque de l'air anormalement froid recouvre de l'air anormalement chaud, les conditions sont favorables au déclenchement des orages. De violents courants d'air verticaux entraînent l'humidité, les fragments de glace, les grêlons et les gouttelettes d'eau à l'intérieur du nuage. À cause des mouvements verticaux très violents et puissants, il y a déséquilibre entre les charges électriques à l'intérieur du nuage ainsi qu'à l'extérieur, entre la base négative du nuage et le sol positif.
Quand les charges accumulées deviennent trop importantes, et surtout lorsqu'il y a opposition directe entre ces charges, il y a décharge électrique (éclair) et un orage éclate.

 

Voici une animation qui nous explique la formation d'un orage :

Il existe différents types d'orages. On les classe selon leur origine:

- Les orages de types frontal :

Dans cette catégorie on a les orages à front froid, à front chaud, à front occlus et pré-frontaux.

-Les orages à front chaud se créent lorsqu'une masse d'air chaude instable en mouvement avance vers une masse d'air froide et s'élève comme l'air froid est plus dense que l'air chaud. La zone de précipitations peut faire entre 250 et 300 km de large mais leur largeur ne font pas plus de 50 km.

-Les orages à front froid sont souvents violents et susceptibles de provoquer la formation de tornades. Ils se forment quand une masse d'air froide plus rapide que le front chaud passe sous celui-ci. Alors l'air chaud et humide qui est plus léger que l'air froid, s'élève en créant des courants ascendants et donc un cumulonimbus.

-Les orages à front occlus interviennent quand une masse d'air chaud évincée par la rencontre de deux masses d'air froid qui la soulève. Lors de ces orages la base des cumulonimbus est généralement à des altitudes très élevées.

-Les orages pré-frontaux sont les plus difficiles à prévoir et très violent. Trois facteurs intervient à la formation de ses orages : une poussée d'un front froid, un air instable et le réchauffement du sol consécutif à un fort rayonnement.

- Les orages de type orographique :

Les orages orographiques interviennent par un écoulement instable d'air chaud et humide qui est soulevé par une chaîne de montagnes. Alors le long de la chaîne de montagnes ces orages s'alignent et agissent au tant que l'écoulement d'air les alimente. Ils éclatent souvent sur les reliefs et restent au même endroit.

- Les orages de type thermiques ou de chaleur :

Ces orages sont causés par un surchauffement des sols. C'est aux tropiques où ils sont très intenses comme la chaleur au sol atteint son maximum ! Ces orages, peuvent éclater à n'importe quel moment de la journée ou de la nuit également, et sur la terre ferme ou en mer, contrairement aux autres orages. C'est bien entendu en saison chaude que ces orages éclatent. Ces orages peuvent se répéter plusieurs jours à la suite.

 

Lien vers les expériences de la formation d'un nuage et de la convection ici

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