PHÉNOMÈNES DANGEREUX

ORAGES - CUMULONIMBUS



- Le nuage d'orage : le cumulonimbus

- Orage de masse d'air

- Orage monocellulaire

- Orage multicellulaire

- Orage orographique

- Orage frontal

- Orage supercellulaire

- Turbulences dues au cumulonimbus

- La grêle

- La foudre

Introduction

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.

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).
Mais tout cumulonimbus ne donne pas un orage. Très souvent même, on assiste à une averse. Or Une forte averse sans tonnerre, ne peut être appelée d'orage.
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 d'orages

Orage (Cumulonimbus) de masse d’air

Ces cumulonimbus se forment à l’intérieur d’une masse d’air chaud et humide et ne sont pas rattachés à un front. Ils sont habituellement causés par le réchauffement diurne, sont plutôt isolés, atteignent leur force maximale en fin d’après-midi, et se dissipent généralement après le coucher du soleil.
Les cumulonimbus de masse d'air formés sur l'océan s'atténuent lorsqu'ils pénétrent sur le continent de nuit ou en hiver et s'amplifient le jour en été.

Photo cumulonimbus mono cellule
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Orage (Cumulonimbus) monocellulaire

Les orages monocellulaires ne sont composés que d’une seule cellule orageuse. Ces orages restent généralement peu virulent et sont généralement de courte durée (de l’ordre d’une vingtaine de minutes à une heure). Cette brièveté s’explique dans le fonctionnement même de l’orage.
Stade de formation. 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 et s'élève.  Voir les émagrammes. 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.
Stade de maturité. L’apparition de précipitations sous la base de la cellule et la formation de courants ascendants se côtoyant aux courants descendants marquent le début du stade de maturité. Les courants descendants sont causés par les gouttes d’eau qui, devenues trop pesantes pour être supportées par les courants ascendants, commencent à tomber. Ces gouttes commencent à s’évaporer au contact de l’air sec qu’elles aspirent par les côtés du nuage puis tombent dans de l’air plus sec au-dessous de la base du nuage. Cette évaporation refroidit l’air qui devient plus dense et qui se met à accélérer vers le bas. Lorsque le courant descendant touche le sol, il s’évase dans toutes les directions.
En même temps, les courants ascendants continuent de se renforcer et leur vitesse maximale peut dépasser 6000ft/mn. Le nuage atteint la tropopause qui bloque les courants as.cendants et force l’air à s’étendre horizontalement, ce qui produit le sommet en forme d'enclume. Le stade de maturité est le plus violent du cycle de vie d’un orage.

Evolution d'un cumulonimbus

Stade de dissipation. Vers la fin du stade de maturité, la taille des courants descendants est telle que les courants ascendants sont étouffés. Sans un apport additionnel d’humidité dans le nuage par les courants ascendants, la pluie cesse graduellement et les courants descendants s’affaiblissent. La cellule peut mettre une trentaine minutes pour se dissiper complètement.

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Orage (Cumulonimbus) multicellulaire

Un orage multicellulaire est un ensemble de nuages convectifs liés entre eux par le couplet des mouvements ascendants et descendants de celui qui le précède. Les plus anciens orages se dissipent au fur et à mesure que de nouvelles cellules se forment le long de leur front de rafales et continuent la vie de la grappe d'orages multicellulaires, chaque cellule prenant à son tour la dominance dans le groupe. Bien que chaque orage ne dure que de 30 à 60 minutes, la vie du groupe peut être ainsi de plusieurs heures.
L'orage multicellulaire apparaît donc comme une suite de cellules orageuses, chacune à un stade différent du cycle de vie d'un orage, la plus mature se retrouvant à l'avant de la ligne et la plus récente à l'arrière.   Source: .wikipedia.org
Dessin ci-dessous un orage multicellulaire en cours de développement. La première cellule est en phase de dissipation, la deuxième est en phase de maturité et la troisième est en phase de formation.

Evolution d'un orage double cellule

Dessin ci-dessous dans l'orage multicellulaire, la première cellule est en phase de dissipation avancée, la deuxième débute sa phase de dissipation et la troisième est en phase de maturité.

Evolution d'un orage tri cellule
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Orage (Cumulonimbus) orographiques

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. ils se forment sous l’effet du réchauffement diurne et si les conditions sont favorables, ils peuvent durer plusieurs heures. Généralement, ils commencent à se former aux environs de midi et peuvent continuer à se développer jusque tard en après-midi. Certaines activités orageuses des Cb orographiques peuvent persister jour et nuit en passant par une valeur maximale au cours de l'après-midi.
Voir Turbulences orographiques.

Cumulonimbus oraographique
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Orage (Cumulonimbus) frontal

Cumulonimbus (orage) 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. Voir les fronts chauds.
Cumulonimbus (orage) de front froid. Si la pente de la surface frontale est forte le soulèvement de l’air chaud peut être énergique. Ces Cb forment souvent une barrière (appelée également ligne de grains) quasi continue de plusieurs centaines de kilomètres de long et de plusieurs dizaines de kilomètres de large. Les vents forts, la grêle, la pluie et les éclairs qu’ils produisent font d’eux un danger extrême non seulement pour les avions en vol mais aussi pour les avions stationnés au sol et non protégés. Les orages de lignes de grains se produisent le plus souvent à l'avant d’un front froid qui se déplace rapidement. Voir les fronts froids.
Cumulonimbus (orage) 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. Voir les fronts secondaires.
Cumulonimbus (orage) d’occlusion. Constituant la phase de dégénérescence de la perturbation, les Cb formés dans la vallée chaude auront une activité orageuse atténuée Voir les fronts occlus.
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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Orage supercellulaire

L’orage supercellulaire est avant tout un orage de type monocellulaire, mais ce type d'orage est souvent accompagné de phénomènes violents comme les tornades et de fortes chutes grêle. En règle générale, les orages supercellulaires se trouvent dans le secteur chaud d'un système dépressionnaire et se déplacent généralement en direction du nord-est, avec le front froid associé à la perturbation.
Les orages supercellulaires sont des cellules orageuses indépendantes en équilibre stable entre les courants ascendants et les courants descendants dans le nuage, ce qui leur permet de vivre très longtemps. Ils 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.
Ci-dessous, une représentation d'un tel cumulonimbus avec :
- une enclume à la tropopause : laquelle 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 dans le nuage. Ils sont signe d'instabilité ;
- dans le flanc arrière droit, derrière les précipitations, une tornade sous le Wall-cloud (nuage-mur).
- une ligne de flanc formée de petits cumulonimbus ou cumulus congestus engendrés par l'ascension de l'air chaud aspiré par l'ascendance principale. Source : Wikipedia.org

Cumulo SuperCellule

L’orage supercellulaire se caractérise par une énergie potentielle de convection disponible élevée (plus de 1 500 J/kg), par un courant ascendant permettant une très large extension verticale (jusqu'à plus de 15 km) et par un changement des vents avec l'altitude dont la direction tourne. Sa taille moyenne est de l'ordre de 20 à 60km de diamètre. Un orage supercellulaire se déplace avec le vent moyen dans la couche de la troposphère où il se trouve. En général, ce vent moyen est de secteur sud-ouest dans l'hémisphère nord (sud au sol et ouest en altitude). Une supercellule peut rester à l'état de maturation pendant une période allant jusqu'à 4 heures.

Cumulo Photo Cellule

Classification des orages supercellulaires

La supercellule LP - Low Precipitation : produit peu de pluies et est donc très difficilement repérable sur les images radar. Mais elles sont capables de produire des fortes rafales de vents.
La supercellule Classique : plus violente que la LP, elle peut produire de très fortes tornades. Elle est détectable au radar.
La supercellule HP - High Precipitation : entraîne des précipitations diluviennes sur une vaste étendue avec de violentes microrafales. Elles peuvent également durer très longtemps et traverser de longues distances sans perdre d'intensité.
La supercellule LT - Low Topped : est la moins connue des quatre et la moins puissante. Elle se produit en général dans des conditions atmosphériques plus froides comme au printemps et à l'automne et une hauteur de tropopause faible.
Ci-dessous de gauche à droite une vue latérale de trois types de supercellules (classique, LP (faibles précipitations) et HP (fortes précipitations).

Cumulo Triple SuperCel
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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

Impact de la foudre sur les avions

Selon l'Office National d'Etudes et de Recherches Aerospatiales (ONERA) la foudre est susceptible de frapper en moyenne un avion de ligne toutes les 1500 heures de vol soit environ une fois par an. C'est donc un phénomène courant pour un avion de ligne.
Généralement, l'éclair frappe une partie du fuselage, l'extrémité d'une aile ou le nez de l'appareil dans lequel l'antenne radar est positionnée, puis se propage à la surface de l'avion dont la structure est essentiellement composée d'aluminium, excellent conducteur d'électricité qui constitue une cage de Faraday. Ensuite l'éclair ressort de l'autre côté, ou par la queue.   Voir Déperditeurs statiques.
Très souvent rien ne se produit mais l'intensité du courant lors d'un coup de foudre peut aller jusqu'à 200 000 ampères d'ou une très forte élévation de température qui peut "brûler" quelques rivets sur le fuselage. Arrivé au parking l'équipage prévient les mécaniciens qui effectuent une recherche d'entrée et de sortie de la foudre. Si quelques rivets sont "brûlès" ils sont remplacés, mais cela n'affecte rien à la sécurité.
En cabine, les passagers pourront entendre un bruit (claquement) ou voir un éclair dans le hublot, mais ils ne sentiront rien.

cumulonimbus photo avion

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 d'un cumulonimbus (orage) et en ciel clair. L’antenne radio VHF avait été littéralement décapitée au ras du fuselage, malgré ses filtres parafoudre.


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