PHÉNOMÈNES DANGEREUX

CUMULONIMBUS ET ORAGES



- Orage

- Le nuage d'orage : le cumulonimbus

- Différents types de cumulonimbus

- Turbulences dues au cumulonimbus

- La grêle

- La foudre

Introduction

Cette page n’a pas la vocation d’expliquer le processus de développement des cumulonimbus associés ou non à des orages, mais simplement de décrit les dangers de tels nuages souvent accompagnés de fortes turbulences, de grêle, de givrage intense et de foudre.

Orage

En météorologie l'orage est une perturbation atmosphérique caractérisée par une ou plusieurs décharges brusques d'électricité, se manifestant par une lueur brève et intense (éclair) et par un bruit sec ou un roulement sourd (tonnerre).
Les orages sont associés aux nuages de convection, en particulier les cumulonimbus et sont le plus souvent accompagnés de précipitation sous forment d'averses de pluie, de neige, de neige roulée, de grésil ou de grêle.
L'orage est généralement un phénomène de courte durée : de quelques dizaines de minutes à quelques heures. Il peut être isolé (orage dû à la présence de reliefs ou causé par le réchauffement du sol en été) ou organisé en ligne (dite « ligne de grains » par les météorologistes).
Par certaines conditions, des orages peuvent se régénérer sans cesse au même endroit ou bien s'y succéder à leur maximum de maturité. Ils provoquent ainsi durant plusieurs heures de fortes précipitations qui conduisent à des inondations catastrophiques.
Une forte averse sans tonnerre, ne peut être appelée d'orage.

Cellule / Sytème

Cellules orageuses et de système orageux :
- les cellules orageuses sont des cellules isolées (entre 1km et 80km de largeur - environ)
- un système orageux est toujours composé d'une seule ou de plusieurs cellules orageuses organisées entre-elles (entre 1km et +1000km de largeur - environ).
Il existe plusieurs systèmes orageux:
- un (système orageux) monocellulaire est composé d'une seule cellule orageuse et d'un seul nuage cumulonimbus.
- un (système orageux) multicellulaire est composé de minimum 2 cellules orageuses.
- un (système orageux) supercellulaire est composé d'une seule cellule orageuse et qui possède un mésocyclone, c'est à dire une rotation profonde et durable de la colonne ascendante, surtout dans la partie basse de la cellule orageuse.
Pour plus de détail voir l'excellent site : http://meteobell.com/__class_orage_intro.php


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Le nuage d'orage : le cumulonimbus

Le cumulonimbus, nuage caractéristique des phénomènes orageux est une véritable usine thermodynamique, qui se nourrit d'air chaud et humide pour fournir l'énergie nécessaire aux mouvements ascendants. Son énergie est considérable : chaque seconde, un gros cumulonimbus peut aspirer 700 000 tonnes d'air et absorber ainsi 8 800 tonnes de vapeur d'eau. Le même nuage peut renvoyer à la surface terrestre 4 000 tonnes d'eau, sous forme d'eau liquide, de neige ou de grêle.
Ce nuage géant et menaçant, large de 5 à 15 km, peut s'élever jusqu'à 15 km d'altitude sous nos latitudes. À son sommet, le cumulonimbus se heurte à la stratosphère et s'étale largement, ce qui lui donne sa forme générale d'enclume (ou, parfois, de panache ou de chevelure ébouriffée).
Ci-dessous un cumulonimbus capillatus incus (enclume en latin)

Photo cumulonimbus

Les orages agissent globalement comme des générateurs électriques, créant un courant dirigé du sol vers le nuage. En effet, les mouvements verticaux de l'air dans le cumulonimbus sont très violents : brassées par des vents pouvant dépasser 130 km/h, les particules d'eau et de glace du nuage s'entrechoquent. Ces nombreuses collisions provoquent l'électrisation du nuage, où des particules de signes opposés se regroupent à différents étages depuis la surface (chargée négativement) jusqu'au sommet (chargé positivement). Des micro-décharges se propagent alors et finissent par établir une liaison électrique entre le nuage et le sol.    Source: Météo-France


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Différents types de cumulonimbus

Cumulonimbus de masse d’air

L'air chauffé par le rayonnement du soleil sur la surface terrestre se dilate et devient plus léger que l'air situé au-dessus de lui. Il s'élève alors, comme le ferait une montgolfière. Si cet air est suffisamment humide, la vapeur d'eau qu'il contient se condense pour former des gouttelettes d'eau : un nuage de type cumulus apparaît. Dans une atmosphère instable, les mouvements verticaux de l'air sont intenses et vont favoriser par cette condensation le grossissement du nuage, qui se développe et monte en altitude. Les gouttelettes les plus élevées se transforment alors en cristaux de glace : le cumulus devient un cumulonimbus.
Source: Météo-France Formation d'un cumulonimbus

Evolution d'un cumulonimbus

Cumulonimbus orographique

Tout relief montagneux impose aux masses d’air en mouvement, un soulèvement. Si la masse d’air soulevée est préalablement en instabilité convective, les Cb se développent au vent de la montagne.

Cumulonimbus oraographique

Cumulonimbus frontal

Cb de front chaud. Ils se développent au-dessus de la surface frontale chaude, donc dans une zone de grande dimension. Ces Cb sont épars sur la surface frontale, noyés dans une masse de nimbostratus d’ou un danger accru pour les avions (utilisation du radar météorologique), leur activité orageuse est moins intense que dans les Cb de front froid.
Cb de front froid. Sur la surface frontale peut être en surplomb et le soulèvement de l’air chaud est énergique. Ces Cb forment souvent une barrière quasi continue de plusieurs centaines de kilomètres de long et de plusieurs dizaines de kilomètres de large.
Cb d’occlusion. Constituant la phase de dégénérescence de la perturbation, les Cb formés dans la vallée chaude auront une activité orageuse atténuée.
Cb de front froid secondaire. Comme pour le front froid les Cb seront alignés sur le front. L’instabilité sera généralement forte mais leur hauteur sera limité par la tropopause polaire basse.
Cb de thalweg. A l’arrière du front froid il est possible que se développe une situation orageuse dans le talweg d’altitude.


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Turbulences dues au cumulonimbus

La turbulence est observée dans le Cb et autour de celui-ci. Le volume atmosphérique affecté par la turbulence peut s'étendre dans le cas d'un Cb isolé:
- latéralement jusqu'à 10 à 20Nm d'un Cb
- verticalement entre le sol et plusieurs milliers de pieds au-dessus de la limite supérieure de l'enclume.

Turbulences dans la zone du Cb

Les vitesses verticales les plus fortes peuvent atteindre voire dépasser:
- pour les courants ascendants : 35m/s
- pour les courants descendants : 15m/s
Aux limites latérale (dessin ci-dessous) des courants verticaux rapides (rouges), apparaissent des tourbillons (vert) à axe horizontal, ceux-ci permettent la dissipation de l'énergie cinétique des particules subissant un freinage par suite du contact entre les courants de vitesses différents et de sens opposés.
Au-dessus du Cb le flux laminaire de l'écoulement de l'air devient ascendant au vent de l'enclume.
Sous le Cb les turbulences subies par un aéronef résultent d'un écoulement de l'air particulièrement complexe.
Entre l'écoulement froid descendant (bleu) et l'écoulement chaud (rouge) ascendant apparaissent également des tourbillons à axe horizontal (vert). Le vent en surface sous un Cb peut réserver des surprises désagréables, les instruments de mesure ne pouvant donner une information valable en tous points.  Voir Danger du cisaillement du vent

cumulonimbus mature

Turbulences en dehors de la zone du Cb

Un Cb au stade de maturité génère un front d'air froid appelé front de rafale, généralement très turbulent et présentant des risques pour un avion au décollage ou en approche. Le front de rafale est associé à une colonne descendante d'air froid d'environ 1 à 4 Nm de diamètre. Son étalement au sol se produit généralement sur des échelles importantes. Les effets de divergences sont donc atténués mais n'excluent pas la possibilité de cisaillements intenses.
Les Cb peuvent donc générer des cisaillements de vent importants, notamment dans la zone précédent l'orage.

cumulonimbus front de rafale

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La grêle

La grêle est un type de précipitation qui se forme dans des cumulonimbus particulièrement forts lorsque l'air est très humide et que les courants ascendants sont puissants. Elle prend la forme de billes de glace (grêlons) dont le diamètre est généralement compris entre 5 et 50 millimètres, certains peuvent atteindre les 15 cm. La masse volumique est de l’ordre de 0,85 à 0,90 g/cm3, mais la masse des plus gros peut avoisiner le kilogramme.
La condition première à l’apparition de grêlons est la présence de quantité importante d’eau liquide en surfusion rencontrée au sein des puissants mouvements verticaux ascendants que l’on retrouve au niveau d’un cumulonimbus.
Moins de 10% des cumulonimbus donnent de la grêle atteignant le sol mais on peut estimer qu’un pourcentage beaucoup plus important fabrique de la grêle sans que celle-ci ait le temps d’atteindre le sol.
Plus rarement des grêlons peuvent être éjectés latéralement, notamment dans la partie supérieure du nuage sous l’enclume, et verticalement par le sommet.
La grêle est toujours dé́finie comme étant liée à la présence d’un cumulonimbus. En réalité, les limites ne sont pas aussi tranchées et la production de grêlons peut se réaliser bien avant que le stade de cumulonimbus soit atteint. La prudence est donc de mise face à un cumulus congestus TCU ou un altocumulus castellanus bien développé verticalement.
Les dégâts sont en rapport avec la vitesse de chute des grêlons et donc de leur taille :
avec un diamètre de 2 cm : vz = 75 km/h,
avec un diamètre de 5 cm : vz =115 km/h
avec un diamètre de 10 cm : vz = 160 km/h
Un cumulonimbus peut fabriquer en quelques minutes quelques 300 milliards de grêlons représentant une masse totale de 50.000 tonnes de glace.
Dessin ci-dessous un Cb en pleine maturité.

cumulonimbus grêle

Les dégâts dûs à la grêle peuvent être:

- l’arrêt voir la destruction des moteurs,
- la perte des moyens de communication par le bris des antennes,
- le bris des vitres du cockpit,
- le bosselage de la cellule et de toutes les surfaces exposées à la grêle notamment au niveau du bord d’attaque des ailes.,
Source: Météo-France

Ci-dessous : dégâts causés par la grêle sur un Boeing 737

cumulonimbus degats  grêle

Moyens de détection à bord des avions

Seul le radar météorologique permet de « visualiser » la présence de grêle.
Nombreux problèmes d’interprétation du signal reçu car la grêle selon sa composition est un très inégal réflecteur du signal radar:
- un grêlon entièrement constitué de glace offre une réflectivité radar très faible,
- recouvert d’une pellicule d’eau par fusion, la réflectivité augmente rapidement jusqu’à devenir identique à celle d’une goutte de pluie de même dimension.
- il est difficile si ce n’est impossible de distinguer les grêlons de petites tailles des gouttes de pluie.
- Par contre, un signal radar très fort appelé «bande brillante » peut être la signature d’une zone de gros grêlons surtout si celui-ci est rencontré au voisinage de l’isotherme 0°C. ,
Source: Météo-France

Illustration ci-dessous sur le ND   Voir E.F.I.S - ND   la cellule orageuse est représentée en rouge.

cumulonimbus radar météo

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La foudre

La foudre est une décharge électrique. L'éclair est le résultat visible de l'échauffement de l'air, tandis que le tonnerre est le bruit émis par la vibration de l'air le long de cette décharge électrique lors de sa propagation. En quelques millièmes de seconde, l'air atteint une température de 30 000 °C et subit de très fortes compressions suivies de dilatations tout aussi violentes. Ces mouvements brusques et successifs produisent des ondes sonores qui produisent les claquements, grondements et roulements du tonnerre.
Un éclair peut se déclencher à l'intérieur du nuage, entre deux nuages, entre un nuage et un objet (avion) ou entre le nuage et le sol (foudre). Il existe plusieurs variétés d décharges électriques vers le sol, comme il en existe lorsqu'elles se font entre nuages voisins.
Même en ciel clair, il se produit parfois des décharges, ce phénomène se voit dans les régions ou les bases de nuages sont élevées. Ces éclairs issus de nul part atteignent rarement le sol, par contre ils peuvent frapper à près de 30Nm de distance.,
Source: Météo-France

cumulonimbus photo orage

L’auteur de ce site, se souvient d’avoir subi la foudre, lors d’une approche à l’aéroport de Londres-Heathrow pendant un échange radio avec la tour de contrôle, alors que l’avion se trouvait à quelques nautiques du cumulonimbus (orage) et en ciel clair. L’antenne radio VHF avait été littéralement décapitée au ras du fuselage.


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