Les précipitations
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- Publication : dimanche 6 juillet 2008 12:18
- Écrit par Micha Schultze
L'explication la plus simple d'une «précipitation» est le grossissement de gouttelettes d'eau par condensation. Il faudrait plusieurs jours pour qu'une goutte de pluie puisse se former par ce procédé. Or entre la première condensation et la chute d'une précipitation, il s'écoule à peine une demi-heure. D'autres phénomènes entrent donc nécessairement en jeu.
Définition
Une précipitation est une particule liquide ou solide d'eau qui tombe de l'atmosphère au sol. Elle peut être régulière et persistante, brève et intense et prendre des formes diverses: bruine, pluie, neige, grésil, grêle, givre.
Atterro de Lehn (Interlaken), 8 juillet 2007, 11 h, vue vers.l'Ouest. A gauche, le Niesen. A droite et à peu près à la hauteur du sommet de celui-ci, le nuage Arcus annonce le premier front de rafale. Juste derrière, on aperçoit à l'horizon un rideau mat et uniforme de fortes précipitations.
Les gouttelettes des nuages ont un diamètre moyen de 0,01 mm. Ces microparticules ne se maintiennent généralement en suspension que par frottement des molécules d'air. Les plus petites gouttes de pluie ont une grosseur d'environ 1 mm. Il faut environ 1 million de gouttelettes de nuages pour former une seule goutte de pluie. Dans les nuages, une telle quantité de gouttelettes est normalement répartie dans un volume de 100 l d'air et les processus pouvant les amener à se réunir sont plus complexes qu'on peut l'imaginer.
L'explication simple (mais erronée) d'une précipitation est le grossissement des gouttelettes par condensation. Pour qu'une goutte de pluie se forme par ce procédé, il faudrait plusieurs jours. Or la seule observation montre que le temps s'écoulant entre la première condensation visible (nuage) et la précipitation peut être de l'ordre d'une demi-heure. Pour que les gouttelettes en suspension dans les nuages puissent grossir, d'autres processus que la condensation et la fixation moléculaire doivent donc forcément intervenir.
Ce n'est que lorsque les gouttes ont atteint une certaine grandeur qu'elles se mettent à tomber (à condition de ne pas être maintenues en altitude, voire portées plus haut par des courants ascendants). Dès qu'une goutte descend, on la qualifie de précipitation. Lorsqu'une goutte a un diamètre supérieur à 5 mm, elle tombe à une vitesse de 8 m/s. Elle est alors aplatie par la résistance aérodynamique de l'air au point d'éclater en gouttes plus petites. Mais alors, comment les gouttelettes des nuages peuvent-elles se transformer en gouttes ayant une vitesse de chute appréciable, telle qu'on le constate par exemple lors de pluies?
En fait, deux phénomènes sont à l'origine de la formation d'une précipitation dans l'atmosphère:
A) la coalescence de gouttelettes d'eau (théorie de Langmuir) et
B) un transfert, par l'intermédiaire de la phase vapeur, entre la phase glace et les gouttelettes d'eau dans les nuages mixtes, aboutissant à la formation de grésil ou flocons de neige suivie d'une possible fonte (mécanisme de Bergeron-Findeisen).
Elle repose sur l'impaction de gouttes plus petites (donc qui tombent plus lentement) sur une goutte de vitesse de chute notable. Elle tient également compte de la capture de gouttes dans la «suite de la chute»: la résistance de l'air devenant moindre, les gouttes tombent plus vite et rattrapent celles se trouvant avant elles dans le nuage.
Mais ce processus se limite aux purs nuages de pluie et ne produit au bout du compte et dans des conditions favorables que de minuscules gouttes de pluie. Pour que se produise une véritable précipitation, il faut qu'interviennent deux facteurs supplémentaires: une «instabilité colloïdale» assez importante et un parcours de coalescence suffisant.
L'air dans les nuages est dit «instable-colloïdal» lorsque le spectre des gouttelettes qu'il contient comporte des gouttelettes d'un diamètre supérieur à 0,036 mm. Les écarts de vitesse de chute entre les gouttelettes sont alors suffisants pour accroître la fréquence des impactions et pour permettre, sur un parcours suffisamment long et grâce au phénomène de coalescence, la formation de gouttes d'une grosseur suffisante. Il ne faut pas oublier que chaque goutte de pluie est de plus soumise, lors de sa chute entre la base du nuage et le sol, à un processus d'évaporation.
Plus le courant ascendant est fort et plus la goutte doit grossir par coalescence pour pouvoir continuer à tomber. Le diamètre critique de 5 mm pour assister à un mouvement ascendant ou descendant a déjà été évoqué plus haut. D'un nuage de convection avec un courant ascendant de 8 m/s, il ne peut au départ tomber aucune précipitation. Les gouttelettes les plus petites ne peuvent, avec leur vitesse de chute négligeable, contrer le courant ascendant et celles qui seraient assez grosses sont pulvérisées en gouttelettes plus petites. Toutes ces gouttelettes sont maintenues en altitude ou amenées plus haut et ainsi soumises une seconde, voire une troisième fois au processus de coalescence. Le poids de l'eau dans ce nuage ne cesse d'augmenter. Ce n'est que lorsque le courant ascendant se relâche qu'une pluie «épaisse» et constituée de grosses gouttes s'abat subitement, que l'on qualifie alors d'averse, ondée ou grain.
et Zurich. Orage multicellulaire sur la France, avant la frontière suisse.
Sous nos latitudes, les courants ascendants de 8 m/s ne se présentent normalement que dans les cumulo-nimbus (nuages d'orage). Ce sont des nuages de convection qui s'élèvent assez haut pour atteindre la phase glace de la formation nuageuse. Le processus de précipitation s'enclenche alors essentiellement selon les règles des nuages mixtes (particules d'eau et de glace). Il faut que la température soit inférieure à 0°C au moins dans une partie du nuage. Intervient alors le mécanisme de Bergeron-Findeisen, basé sur le fait que pour une température ambiante identique, la tension de vapeur saturante est plus basse sur la glace que sur l'eau. S'il y a dans le nuage un mélange de gouttelettes et de cristaux de glace, ceux-ci tombent dans la partie en eau, grossissent rapidement au détriment des gouttelettes et s'échappent du nuage en descendant vers le sol. Selon la saison, ils fondent dans les couches inférieures de la troposphère et se transforment en partie en flocons de neige ou en pluie.
Pour ce qui est des précipitations, les cristaux de glace font uniquement offices de «déclencheurs» et seuls les nuages d'eau situés plus bas servent de «pourvoyeurs». C'est ce processus qui produit partout les précipitations les plus abondantes et qui, dans toutes les régions à l'exception des Tropiques, est la cause principale de la formation de ces précipitations.
La formation de précipitations importantes est toujours liée à des nuages présentant un important développement vertical (cumulonimbus et nimbostratus). Les cumulo-nimbus constituent cependant un danger bien plus grand que les nimbostratus. Les nuages moutonnés ou en bancs de faible épaisseur (cumulus, stratocumulus, altocumulus) ne peuvent produire tout au plus qu'un peu de neige si la température est suffisamment basse. De tels nuages n'engendrent pas de pluie. Pour le vol, le danger est de toute évidence réel:
A) avant le processus de formation des précipitations.
B) immédiatement après ce processus.
A) Le courant ascendant dans un cumulo-nimbus peut être si puissant que toute man_uvre de descente échoue, se transformant en tentative désespérée de fuite. Une bonne connaissance de la situation météorologique, une observation attentive de l'évolution des conditions et une attitude défensive sont les meilleures mesures que l'on puisse prendre pour sa sécurité.
B) Immédiatement après le début des précipitations, l'air se refroidit fortement sous le nuage. Sur un émagramme, on se rend parfaitement compte de ce phénomène en étudiant la courbe de l'adiabatique humide de la base du nuage à la surface terrestre. Le recul de la température engendre un vent violent sous forme de rafales radiales partant dans toutes les directions et qui précèdent les précipitations. Plus la base du nuage est élevée, plus la chute de la température est importante et plus les rafales sont violentes.
Le radar des précipitations indique où, quand et avec quelle intensité il a plu (http://www.landi.ch/deu/0804_niederschlagsradar.asp). L'illustration 1 reproduit l'image radar du dimanche matin 8 juillet 2007 à 9 h (heure d'été d'Europe continentale). On distingue en orange deux petites zones orageuses sur Lucerne et Zurich et à l'Ouest, tout près de la frontière suisse, un orage multicellulaire dans ses différentes phases qui s'est formé à l'avant d'un front froid. L'animation de l'image radar sur Internet révèle la vitesse de déplacement de cet orage. On peut ainsi prévoir quand son propre site de vol sera atteint. La région d'Interlaken sera touchée entre 11 et 12 h. Les deux photos ont été prises à l'atterro de Lehn à 11 h, la première en direction de l'Ouest, la seconde en direction de l'Est.
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