La formation de la grêle

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La formation de la grêle

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La grêle nous tombe dessus par surprise, souvent à la fin des belles journées d’été. Elle est capable de détruire des récoltes entières, de causer de gros dommages aux constructions humaines. Elle peut même, en de rares occasions, tuer. Mais d’où vient-elle ? Comment se forme-t-elle ?

Elle est crainte depuis toujours. De l’Antiquité au Moyen-Âge, elle est associée à un châtiment envoyé par les dieux. Avec le développement des sciences, elle est finalement redescendue au simple rang de phénomène naturel. Et pourtant, la grêle n’a pas fini d’intriguer et conserve quelque chose d’obscur. Néfaste pour les cultures, les moyens les plus fous ont été développés pour tenter de la contrer. Mais finalement, qu’est-elle exactement ?

La grêle, c’est quoi ?

C’est une sorte de précipitation, au même titre que la pluie ou que la neige, mais beaucoup plus locale. En effet, il peut grêler à un endroit et pleuvoir quelques dizaines de mètres plus loin. Pour cette raison, les statistiques concernant la grêle sont très difficiles à tenir. La plupart du temps, ce sont les assurances qui fournissent les données, grâce aux dommages déclarés.
Le Glossaire de météorologie et de climatologie, de Villeneuve (1974), en donne une définition très précise :

« précipitation de globules ou morceaux de glace (grêlons) dont le diamètre est de l’ordre de 5 à 50 mm, parfois plus, et qui tombent soit séparés les uns des autres, soit agglomérés en blocs irréguliers ».

Comment se forme-t-elle ?

Avant de devenir grêlon, l’humidité contenue dans un nuage traverse plusieurs étapes. Premièrement, elle peut se condenser sous forme liquide grâce aux noyaux de condensation présents dans le nuage. Ce type de condensation conduit à la création de gouttelettes d’eau. Secondement, elle peut se condenser sous forme solide grâce aux noyaux glaçogènes, produisant cette fois-ci des cristaux de glace.
A ce stade, une gouttelette peut facilement se congeler et donner un cristal de glace si la température chute. Inversement, si la température augmente, un cristal de glace peut fondre et devenir gouttelette. Mais seuls les cristaux de glace peuvent produire un grêlon en s’agrégeant entre eux.

Dans la réalité, un nuage contient pratiquement toujours des particules de glace, mais cela ne suffit pas à produire de la grêle, car les particules sont trop légères pour tomber sous l’effet de la gravité. Et quand bien même elles y arrivent, dans la plupart des cas, elles fondent dès la sortie du nuage et atteignent le sol sous forme liquide.
Pour former un grêlon digne de parvenir au sol, les particules doivent grossir. Et cela se fait deux deux manières différentes : l’accrétion et le processus de Bergeron-Findeisen.

L’accrétion

C’est la rencontre entre un cristal de glace et une goutte d’eau surfondue, c’est-à-dire de l’eau qui se trouve à l’état liquide bien que les températures soient inférieures à 0°C. Lors du contact, la goutte d’eau se congèle sur la particule glacée et participe ainsi à son accroissement.

Le processus de Bergeron-Findeisen

Il est lié à la pression saturante. La pression de vapeur saturante est plus faible pour un cristal de glace que pour une goutte d’eau surfondue. Comme les trois états de l’eau se retrouvent plus ou moins à l’équilibre dans le nuage, la vapeur d’eau subit une sublimation inverse et se dépose directement sur le cristal de glace, tandis qu’une partie des gouttes d’eau s’évapore pour maintenir l’équilibre.

Ces deux processus d’accroissement sont efficaces pour former des particules suffisamment lourdes pour tomber. Mais cela ne suffit toujours pas pour qu’elles atteignent le sol sous forme de grêle. Pour atteindre ce but, il faut encore que le grêlon passe du temps au cœur du nuage. Cela nécessite de forts courants ascendants, qui vont stopper la chute du grêlon et le renvoyer vers le haut du nuage. Or, ces courants ne sont présents que dans les nuages d’orage. C’est pour cette raison que la grêle ne peut tomber qu’en présence d’un orage.

De l’orage à la grêle

Si la présence de grêle implique qu’un orage éclate, l’inverse n’est pas vrai. Tout orage n’est pas porteur de grêle.
Il existe plusieurs sortes d’orages, en fonction du mécanisme de formation et du nombre de cellules qui les composent. Mais tous les orages se forment à partir d’un important mouvement ascendant de l’air, à l’origine des cumulonimbus. Une instabilité de la masse d’air au sol provoque une élévation de l’air. Avec l’altitude, la température et la pression diminuent : l’air se refroidit d’une part et subit une détente adiabatique d’autre part. Lorsqu’il atteint son niveau de condensation , généralement situé à la base du nuage, l’air perd une partie de sa vapeur d’eau. Celle-ci contribue à la formation des particules de précipitations (solides ou liquides).
Cette ascendance de l’air peut être d’origine thermique ou frontale. Dans le premier cas, c’est le fort réchauffement du sol qui conduit au réchauffement et à l’élévation de la couche d’air juste au-dessus. Ce type d’orage éclate donc uniquement en saison chaude et de préférence en fin de journée. Dans le second cas, c’est l’arrivée d’une masse d’air plus froid qui force la masse d’air présente à s’élever. Cette situation peut arriver à tout moment de l’année et elle correspond souvent aux orages de deuxième partie de nuit.
Un orage peut également être composé d’une seule cellule (orage supercellulaire) ou de plusieurs cellules (orage multicellulaire). Tous deux diffèrent dans leur mode de fonctionnement, leur durée et leurs conséquences.

L’orage supercellulaire

Il est composé d’une unique cellule, très grosse. Le courant ascendant forme un tourbillon et l’orage peut exister s’il y a suffisamment d’énergie à disposition. Il dure alors plus longtemps et provoque des ascendances et des précipitations plus intenses.
Ce type d’orage se développe en situation d’instabilité inconditionnelle, c’est-à-dire quand l’air au sol est chaud et humide alors qu’il est sec en altitude, et avec un cisaillement horizontal des vents. Comme ce cisaillement empêche la pluie de bloquer le courant ascendant, les courants à l’intérieur du nuage d’orage s’auto-entretiennent, et, tant qu’ils sont à l’équilibre, la cellule orageuse reste stationnaire.
Un orage supercellulaire donne lieu aux événements grêligènes les plus violents. Il peut provoquer des tornades et permet la formation des plus gros grêlons. Il est cependant plus rare que l’orage multicellulaire.

L’orage multicellulaire

Il est composé de plusieurs cellules normales qui atteignent leur stade de maturité en décalage. Dès qu’une cellule disparait à l’arrière du système, une nouvelle se forme à l’avant. Un tel système se développe en présence de conditions instables et avec un important gradient de vent en altitude. La formation continue de nouvelles cellules est rendue possible car l’air froid descendant est forcé de se déplacer horizontalement au sol. Il repousse alors en altitude l’air plus chaud, présent sur les côtés de la cellule. Les ascendances sont entretenues par ce mécanisme.
L’orage multicellulaire a une durée de vie beaucoup plus longue que l’orage supercellulaire, car de nouvelles cellules orageuses apparaissent en permanence.

Dans les deux situations, la grêle se forme dans la zone où les courants ascendants et descendants se croisent, car ceux-ci contribuent au maintien du grêlon dans le nuage, et par là-même, à son accroissement.

Généralement, une averse de grêle débute au moment où un éclair se forme dans le nuage et décharge celui-ci de toute sa tension électrique. Dès lors, plus rien ne retient les particules en l’air et l’orage de grêle peut commencer. Tous aux abris !

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