Orage - Définition et Explications

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Classification

On classe les orages en plusieurs catégories selon l'énergie potentielle de convection disponible (EPCD) et le cisaillement du vent avec l'altitude :

  • Orages unicellulaires
  • Orages multicellulaires
  • Orages supercellulaires
  • Ligne de grain (En météorologie maritime: Un grain est un vent violent et de peu de durée qui s'élève soudainement et qui est généralement accompagné de précipitations. Il se produit généralement au passage d'une ligne d'orages....)
  • Derecho
  • Complexe convectif de méso-échelle

Orage (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...) ordinaire et pulsatif

Cycle de vie (La vie est le nom donné :) d'un orage unicellulaire.

L'orage unicellulaire est caractérisé par une faible énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.) (EPCD de 500 à 1000 J/Kg) avec peu ou pas de changement des vents avec l'altitude (L'altitude est l'élévation verticale d'un lieu ou d'un objet par rapport à un niveau de base. C'est une des composantes géographique et biogéographique qui explique la...). Donc le cycle de vie d’environ 30 à 60 minutes ( Forme première d'un document : Droit : une minute est l'original d'un acte. Cartographie géologique ; la minute de terrain est...) de ces orages est caractérisé par un courant ascendant plus ou moins fort et vertical (Le vertical (rare), ou style vertical, est un style d’écriture musicale consistant en accords plaqués.). Au départ, nous sommes en présence de cumulus mediocris qui fusionnent entre eux. Ils se transforment ensuite en cumulus bourgeonnants (ou cumulus congestus) avec début de précipitations en leur sein. Lorsque des cristaux de glace (La glace est de l'eau à l'état solide.) se forment au sommet du nuage (Un nuage est une grande quantité de gouttelettes d’eau (ou de cristaux de glace) en suspension dans l’atmosphère. L’aspect d'un nuage dépend...), ces congestus deviennent par définition (Une définition est un discours qui dit ce qu'est une chose ou ce que signifie un nom. D'où la division entre les définitions réelles et les définitions nominales.) des cumulonimbus calvus. Apparaissent alors les premiers phénomènes électriques qui caractérisent les orages.

Au stade (Un stade (du grec ancien στ?διον stadion, du verbe ?στημι istêmi, « se tenir droit et ferme ») est un équipement sportif.) 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 (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et étudiée en thermométrie. Dans la vie courante, elle est reliée aux sensations...) à la tropopause (La tropopause est la limite supérieure de la troposphère et la limite inférieure de la stratosphère. Elle constitue aussi la limite de la biosphère...) 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 (La pluie désigne généralement une précipitation d'eau à l'état liquide tombant de nuages vers le sol. Il s'agit d'un...) mêlée de petits grêlons commence alors à redescendre vers le sol, ce qui provoquera bientôt la dissipation.

En effet, cette précipitation (En météorologie, le terme précipitation désigne des cristaux de glace ou des gouttelettes d'eau qui, ayant été soumis à des processus de condensation et d'agrégation...) descend dans le courant ascendant et s'évapore partiellement en refroidissant l'air (L'air est le mélange de gaz constituant l'atmosphère de la Terre. Il est inodore et incolore. Du fait de la diminution de la pression de l'air avec l'altitude, il est...) qui l'entoure. Ce dernier devient alors plus froid (Le froid est la sensation contraire du chaud, associé aux températures basses.) que l'environnement (L'environnement est tout ce qui nous entoure. C'est l'ensemble des éléments naturels et artificiels au sein duquel se déroule la vie humaine. Avec les enjeux écologiques actuels, le terme environnement tend actuellement à prendre une...), et par poussée (En aérodynamique, la poussée est la force exercée par le déplacement de l'air brassé par un moteur, dans le sens inverse de l'avancement.) 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 (Autour est le nom que la nomenclature aviaire en langue française (mise à jour) donne à 31 espèces d'oiseaux qui, soit appartiennent au genre Accipiter, soit constituent...) de lui.

Ce type d'orages est le plus fréquent. Il peut être associé à une forte averse et des rafales de vent (Le vent est le mouvement d’une atmosphère, masse de gaz située à la surface d'une planète. Les vents les plus violents connus ont lieu sur Neptune et sur Saturne. Il est...). Les pluies ne sont presque jamais torrentielles et les chutes de gros grêlons sont rarissimes. Dans les régions arides du globe, l'évaporation (L'évaporation est un passage progressif de l'état liquide à l'état gazeux. Elle est différente de l'ébullition qui est une transition rapide. C'est un changement d'état...) peut être telle que la pluie n'atteint pas le sol et forme de la virga sous le cumulonimbus.

Orages multicellulaires

Cycle de vie d'un orage multicellulaire.

Lorsque la force (Le mot force peut désigner un pouvoir mécanique sur les choses, et aussi, métaphoriquement, un pouvoir de la volonté ou encore une vertu morale...) et la direction des vents augmentent avec l’altitude de façon linéaire, le courant ascendant de convection (La convection est un mode de transfert de chaleur où celle-ci est advectée (transportée-conduite, mais ces termes sont en fait impropres) par au moins un fluide. Ainsi durant la cuisson des pâtes, l'eau se met en...) 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 (En géométrie euclidienne : quart de la circonférence du cercle (lui-même divisé en 100 grades ou 90 degrés et leurs subdivisions respectives). Chacune des quatre portions du...) sud-ouest (Le sud-ouest est la direction à mi-chemin entre les points cardinaux sud et ouest. Le sud-ouest est opposé au nord-est.) de la cellule mère dans l’hémisphère nord (Le nord est un point cardinal, opposé au sud.) alors que les vents dominants de surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a plusieurs acceptions, parfois objet géométrique, parfois frontière physique, et est...) viennent de cette direction. Comme le front de rafale se dissocie avec le temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.) de la cellule initiale en formant (Dans l'intonation, les changements de fréquence fondamentale sont perçus comme des variations de hauteur : plus la fréquence est élevée, plus la hauteur...) des cellules filles, le multi-cellulaire forme donc une ligne d'orages à différents stades de développement.

La structure radar (Le radar est un système qui utilise les ondes radio pour détecter et déterminer la distance et/ou la vitesse d'objets tels que les avions, bateaux, ou encore la pluie. Un émetteur envoie des ondes radio, qui...) 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 (On distingue :) 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 (L'humidité est la présence d'eau ou de vapeur d'eau dans l'air ou dans une substance (linge, pain, produit chimique, etc.).) disponibles, ce type d'orage peut donner des rafales de vents violentes, des pluies diluviennes et très rarement des tornades.

Orages supercellulaires

Vue (La vue est le sens qui permet d'observer et d'analyser l'environnement par la réception et l'interprétation des rayonnements lumineux.) conceptuelle d'un supercellulaire

Lorsque le cisaillement des vents tourne avec l’altitude, on peut arriver à une situation (En géographie, la situation est un concept spatial permettant la localisation relative d'un espace par rapport à son environnement proche ou non. Il inscrit un lieu dans un cadre plus général afin de le...) 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 (La verticale est une droite parallèle à la direction de la pesanteur, donnée notamment par le fil à plomb.) (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 (La grêle est un type de précipitation qui se forme dans des orages particulièrement forts lorsque l'air est très humide et que les courants ascendants sont puissants. Elle prend la forme de...), des vents destructeurs et des pluies torrentielles. De plus, si un cisaillement horizontal (Horizontal est une orientation parallèle à l'horizon, et perpendiculaire à la verticale. Une ligne horizontale va « de la gauche vers la...) 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.

Sur l'image de droite, on voit une représentation d'un tel cumulonimbus qui comprend :

  • Une enclume se forme à la tropopause qui est une barrière au développement vertical du nuage. Elle s'étend loin de la cellule originale poussée par des vents horizontaux très forts.
  • Un sommet en dôme () stratosphérique, dit sommet protubérant, qui dépasse l'enclume là où le courant ascendant se trouve et indique qu'il est assez fort pour vaincre l'inversion de température à la tropopause.
  • Des mammatus sous l'enclume, des protubérances nuageuses formées par l'air froid d'altitude descendant par poussée négative d'Archimède dans le nuage. Ils sont signe d'instabilité.
  • Dans le flanc arrière droit, derrière les précipitations, une tornade (Une tornade (de l'espagnol tornado, dérivé du verbe tornar, tourner) est un vortex (tourbillon) de vents extrêmement violents, prenant naissance à la base d'un nuage d'orage (cumulonimbus) lorsque les...) sous le nuage-mur (Wall-cloud).
Structure horizontale et verticale d'un orage supercellulaire vu par radar.

Du point (Graphie) de vue radar, on remarque une voûte (Une voûte (ou voute) est un élément architectural de couvrement intérieur d'un édifice présentant un intrados. La voûte travaille comme un arc et son...) sans échos (dite voûte d'échos faibles) dans une coupe verticale (images ci-contre à droite), là où le fort courant ascendant permet à l'humidité des parcelles d'air en convection de ne se condenser qu'à très haut niveau. Ceci donne sur une coupe horizontale (PPI ou CAPPI) une forme à bas niveau d'écho en crochet (gauche) à l'image radar et un fort gradient de réflectivité près du crochet. Du point de vue circulation (La circulation routière (anglicisme: trafic routier) est le déplacement de véhicules automobiles sur une route.) de l'air, les zones en bleu (Bleu (de l'ancien haut-allemand « blao » = brillant) est une des trois couleurs primaires. Sa longueur d'onde est comprise approximativement entre 446 et 520 nm. Elle varie en luminosité du cyan à une teinte plus...) sur la figure de gauche montrent où l'air descend dans ce type de nuage donnant des rafales au sol. On remarque que dans le flanc sud (Le sud est un point cardinal, opposé au nord.), le courant descendant entre en interaction (Une interaction est un échange d'information, d'affects ou d'énergie entre deux agents au sein d'un système. C'est une action réciproque qui suppose l'entrée en contact de sujets.) avec le courant ascendant (jaune) et c'est à cet endroit que les tornades peuvent se produire.

Des expériences ont également montré que la densité (La densité ou densité relative d'un corps est le rapport de sa masse volumique à la masse volumique d'un corps pris comme référence. Le corps de référence est l'eau pure à 4 °C pour les...) de coups de foudre (La foudre est un phénomène naturel de décharge électrostatique disruptive qui se produit lorsque de l'électricité statique s'accumule entre des nuages d'orage ou...) à l'intérieur d'un orage supercellulaire donne un trou de foudre dans le courant ascendant et la voûte d'échos faibles.

Types

On note quatre types d'orages supercellaires, 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 (La hauteur a plusieurs significations suivant le domaine abordé.) 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 (Le printemps (du latin primus, premier, et tempus, temps, cette saison marquant autrefois le début de l'année) est l'une des quatre saisons des zones...) et à l'automne (L'automne est l'une des quatre saisons des zones tempérées. Elle se place entre l'été et l'hiver.). 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 micro-supercellules.
  • Supercellule à faible précipitation (LP en anglais pour Low Precipitation) :
caractéristique des endroits plus secs comme les Prairies canadiennes et les Grandes Plaines (Les Grandes Plaines (en anglais : Great Plains ou encore Grassland) sont une région de l'Amérique du Nord, la partie médiane du continent au centre des États-Unis et du Canada,...) américaines, elles ont une base très haute au-dessus du sol et une grande extension verticale mais leur dimension (Dans le sens commun, la notion de dimension renvoie à la taille ; les dimensions d'une pièce sont sa longueur, sa largeur et sa profondeur/son épaisseur, ou bien son...) 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 probale 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.

Lignes de grain et derecho

Vues en coupe verticale et horizontale des précipitations et de la circulation de l'air dans une ligne de grain

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 convectif de mésoéchelle

Complexe orageux se formant généralement en fin de journée à partir d'orages dispersés. Il atteint son apogée (Un apogée (du grec apogeios : loin de la terre ; apo : loin + gê : Terre), dans les domaines de l'astronomie et de l'astronautique, est le point extrême de l'orbite elliptique d'un astre ou d'un corps...) durant la nuit alors qu'il s'organise comme une large zone circulaire. On les définis comme ayant:

  • Sommet des nuages ayant une température inférieure à -32°C et une surface d'environ 150 000 km².
  • Durée de plus de 6 heures (L'heure est une unité de mesure  :).
  • Rapport entre les diamètres nord-sud et est-ouest doit s'approcher de 1.

Ces systèmes sont fréquents dans les plaines américaines durant l'été. Ils dérivent durant la nuit dans le flux (Le mot flux (du latin fluxus, écoulement) désigne en général un ensemble d'éléments (informations / données, énergie, matière, ...) évoluant dans un sens commun. Plus précisément le terme est employé dans les domaines...) 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 tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) le long du bassin du fleuve (En hydrographie francophone, un fleuve est un cours d'eau qui se jette dans la mer ou dans l'océan – ou, exceptionnellement, dans un désert, comme pour l'Okavango. Il se distingue d'une...) 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)

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