Les précipitations

Comment se forment les nuages?

L'air chaud contient de la vapeur d'eau. Comme il est plus léger que l'air froid il s'élève en altitude. Du même coup, sa pression diminue et il se refroidit. Ce refroidissement provoque la condensation de la vapeur d'eau en fines gouttelettes minuscules autour de fines particules de poussière (sels, embruns, etc.) Ces gouttelettes s'agglomèrent ensuite entre elles... et grossissent. Il faut environ un million de ces gouttelettes minuscules pour fabriquer une goutte de pluie.

La taille et la forme d'un nuage dépendent de la force et du degré d'humidité du courant ascendant (ou courant thermique). Ce sont eux qui donnent naissance aux nuages de "convection". Par exemple, un courant ascendant suffisamment humide qui atteint 8 km d'altitude donne naissance à un cumulus.

Comment sont formés les nuages de convection ?

L'air proche du sol est chauffé par le soleil et il se dilate, s'allège et s'élève. La bulle d'air chaud monte alors, entraînant avec elle l'humidité du sol. Plus l'air s'élève, plus il se refroidit. À un certain moment, la température atteinte ne permet plus à l'humidité de rester sous forme de vapeur invisible (c'est la température du point de rosée). L'humidité se condense alors en gouttelettes d'eau ou en cristaux de glace pour former le nuage. La base du cumulonimbus paraît plate; c'est à ce niveau (celui du point de rosée) que le nuage commence à se former.

Types de précipitations

Toute précipitation nécessite la condensation de la vapeur d'eau. Mais lorsque les gouttelettes d'eau des nuages ont assez grandi, elles deviennent trop lourdes pour être supportées dans le nuage; elles se mettent donc à chuter vers la terre. Trois éléments déterminent la forme finale sous laquelle elle se présente: ce sont les courants aériens, la température et l'humidité.

Il y a deux types de précipitations:

précipitation stratiforme: qui couvre une grande étendue, qui dure longtemps mais de faible intensité, qui se produit dans les zones de basse pression et les creux et qui est associée à des nuages de types "stratus";
précipitation convective: qui couvre des petites surfaces, qui ne dure pas mais qui est intense, qui est très localisée et produite par l'instabilité convective de l'air, et enfin qui est associée à des nuages de types "cumulus".

Les précipitations peuvent tomber sous trois formes:

Précipitation liquide: pluie et bruine
Précipitation verglaçante: pluie verglaçante et bruine verglaçante
Précipitation solide: neige, neige roulée, neige en grains, cristaux de glace, grésil et grêle.

Formation de la pluie; pourquoi tombe-t-elle?

Les fines gouttelettes d'eau qui se condensent sur les particules de poussière pour créer un nuage sont séparées par des distances relativement grandes, si on compare ces distances à la taille de gouttelettes. Etant donné qu'il en existe des milliards, on a l'impression que le nuage forme une masse compacte.

Plus les nuages montent vers des couches d'air plus froid, plus les gouttelettes grossissent et se rapprochent les unes des autres. (On parle ici de gouttelettes, mais on doit noter qu'il est fort possible que ce soient des cristaux. De toute façon, la technique est la même). Quand la taille de la gouttelette atteint la grosseur d'un point de ponctuation (bruine), elle ne peut plus flotter et elle commence à descendre lentement, de l'intérieur du nuage vers sa base. Lorsque la taille de la gouttelette de bruine dépasse quelque peu la grosseur d'un point, elle se met à tomber plus vite. En d'autres mots, le poids des gouttelettes entraîne leur chute. La température de la couche d'air à travers laquelle passent les gouttelettes étant supérieure à 0 degré et la température du sol étant aussi au-dessus de 0, alors c'est sous forme de pluie que ces gouttelettes se rendent au sol.

S'il n'y a pas de vent et si la turbulence est négligeable à l'intérieur du nuage, la gouttelette conservera sa taille et atteindra le sol sous forme de faible pluie. Comme les nuages se trouvent à une altitude où la température est basse, il arrive souvent que les gouttelettes soient congelées dans le nuage et qu'elles fondent pendant leur chute vers le sol. Si, par contre, il y a de forts courants descendants présents dans le nuage, on assiste à une forte averse de pluie en rafales qu'on appelle aussi "grain". (Une averse de 10 mm équivaut à 10 litres d'eau / m carrés.)

Si la taille d'une goutte de pluie est supérieure à celle d'un pois vert (>5 ou 6 mm), elle sera brisée par la friction de l'air dans sa chute vers le sol. La vitesse maximale qu'une goutte de pluie peut atteindre en tombant est de 30 km/h. C'est également la friction de l'air qui empêche la goutte de tomber encore plus vite.

Remarque: Quand on dessine des gouttes de pluie, on leur prête souvent l'aspect des larmes; en fait, on devrait plutôt les dessiner comme un pain à hamburger avec le côté plat vers le bas.
En réalité, les gouttes de pluie sont spériques au début de leur chute. Puis, au fur et à mesure qu'elles grandissent elles changent de forme pour devenir comme un pain à hamburger, avec une base plate et un dessus plutôt rond. Cette distorsion est causée par la friction de l'air qui pousse contre le bas de la goutte et l'applatit.C'est aussi une des raisons pour lesquelles les très grosses gouttes (>6 mm) se fractionnent en plusieurs plus petites.
Mais en réalité, même le hamburger est un peu idéaliste. En fait, quand la pluie tombe, les gouttes peuvent prendre différentes formes. Et aussi, elles tombent à différentes vitesses! Les plus petites peuvent même demeurer en suspension ou même être poussée vers le haut et ne jamais atteindre le sol. On peut donc bien 's imaginer qu'il y a plusieurs risques de collisions entre les gouttes de pluie qui peuvent aussi, par rebondissements l'une sur l'autre, en modifier la forme. Il peut y avoir coalescence (i.e. les gouttes s'amalgament) ou fraction de gouttes.

D'après les expériences de Philipp Lenard, les petites gouttes de 2 mm tombent en forme de sphère. Les plus grosses deviennent alors comme des "hamburger". Les "énormes" (diamètre de plus de 5,5 mm) deviennent instables et ne restent que quelques secondes dans leur forme entière avant de se fractionner en plus petites gouttes.

Particules diamètre

gouttes dans un nuage 0,012 mm

grosses gouttes dans un nuage 0,1 mm

goutte de brume 0,5 mm

goutte de bruine 1,2 mm

goutte de pluie 3,0 mm

grosse goutte de pluie 6,0 mm

Quelle est la différence entre la bruine et la pluie?
La première se qualifie à l'aide de la visibilité et les gouttes ont un diamètre de moins de 0,5 mm (0,02 pouce) et elles tombent collées ensemble.

Une faible bruine signifie que la visibilité est de plus d'1/2 mille.
La bruine modérée signifie que la visibilité est d'1/4 de mille à 1/2 mille.
La bruine forte indique une visibilité de moins d'1/4 de mille.

La seconde s'exprime en terme de quantité et les gouttes doivent avoir un diamètre de plus de 0,5 mm (0,02 pouce) ou si elles sont plus petites, elles doivent tomber largement séparées. En fait, plus la chute de pluie est forte (grande intensité), plus les gouttes deviennent grosses. Les plus énormes gouttes ont été observées dans les averses abondantes dont le taux de chute est de plus de 5 cm à l'heure.

Faible pluie : vitesse d'accumulation pouvant atteindre 2,5 mm (0,10 po) à l'heure. Les gouttes individuelles sont faciles à distinguer. On constate un léger rejaillissement sur les toits, les ponts, etc. Les flaques d'eau se forment très lentement. Il peut s'écouler plus de deux minutes avant que les surfaces sèches soient mouillées. Le son produit sur les toits peut varier du lent crépitement au léger bruissement.
Pluie modérée : vitesse d'accumulation varie de 2,6 à 7,5 mm (0,11 à 0,30 po) à l'heure. Les gouttes individuelles sont difficiles à distinguer, mais le rejaillissement est observable. Les flaques d'eau se forment rapidement et la pluie produit un bruissement ou un doux bourdonnement sur les toits.
Pluie forte : vitesse d'accumulation est d'au moins 7,6 mm (0,31 po) à l'heure. La pluie semble tomber en nappes et les gouttes individuelles ne se distinguent plus. Il se produit un fort rejaillissement, jusqu'à une hauteur de plusieurs centimètres, sur les surfaces dures. Les flaques d'eau se forment très rapidement. Le son de la pluie sur les toits ressemble à un roulement de tambour ou à un bourdonnement distinct.

Que devient la pluie? Soit qu'elle reste là où elle tombe et s'évapore, soit qu'elle pénètre le sol ou soit qu'elle coule de cours d'eau en cours d'eau jusqu'à la mer. À la mer, l'eau s'évapore et forme des nuages qui tombent sous forme de pluie. C'est le "cycle de l'eau".

Formation de la grêle

A l'intérieur d'un cumulonimbus (nuage d'orage), de rapides courants ascendants et descendants déplacent de petits cristaux de glace verticalement dans un mouvement de va-et-vient. À chaque fois que le cristal rencontre des gouttelettes d'eau, celles-ci se congèlent et le cristal grossit en couches successives.

Au sommet du nuage, là où il fait le plus froid, c'est une couche de glace opaque qui s'agglomère très vite au petit grêlon. Ensuite le grêlon est poussé vers le bas du nuage (dans l'air chaud) où il fond un peu. Puis, il est repoussé vers le haut et la couche regèle lentement en laissant l'air s'échapper, ce qui lui donne un aspect transparent. La bille de glace finit par tomber à cause de son poids trop élevé. (La taille varie de celle d'un pois à celle d'une balle de baseball.)

La structure en "pelure d'oignon" d'un grêlon indique le nombre d'aller-retour au sein du nuage avant qu'il ne touche le sol. En général, la grêle atteint le sol à 160 km/h causant souvent de sérieux dommages puisque le grain de grêle est vraiment un glaçon depart et d'autre contrairement au grésil.

Formation du grésil

Le grésil se produit plus souvent l'hiver. La gouttelette qui part du nuage traverse une couche dans laquelle la température est supérieure à 0; elle est donc liquide. Cependant, si par la suite, elle rencontre une couche dont la température est inférieure à 0 avant d'arriver au sol, elle a donc le temps de geler. Le grain de grésil a plus souvent qu'autrement, un noyau liquide; seule son enveloppe est gelée. Le grésil est menaçant par le fait que lorsqu'il éclate en touchant le sol, l'enveloppe durcie se désagrège et le centre liquide s'en échappe et devient alors verglaçant, puisque le sol est sous 0.

Formation de la pluie verglaçante

La pluie (ou la bruine) peut parfois devenir verglaçante si, lors de leur chute dans l'atmosphère, les gouttelettes traversent une couche d'air où la température est supérieure à 0 et qu'en plus, elles arrivent sur un sol dont la température est sous le point de congélation. À ce moment, la pluie ou même quelquefois, de la neige à moitié fondue, gèle au contact du sol ou des objets. La pluie, en gelant, forme une pellicule de glace transparente et cassante, alors que la neige molle forme en gelant de petites pastilles molles et laiteuses.

Formation de la neige

Il faut trois conditions pour qu'il neige:

de la vapeur d'eau
des températures très basses
la présence d'infimes corpuscules voltigeant dans l'air (sable, fumée, cendres, ...)

En présence de nuages élevés, donc très froids, la vapeur d'eau contenue dans l'air se condense directement en cristaux de glace sur les particules présentes dans l'air. En présence d'un nuage très froid, et surtout si les couches d'air que traversent les cristaux dans leur cheminement jusqu'au sol sont inférieures à 0 degré, ceux-ci ne fondent pas en tombant jusqu'au sol, mais plutôt, s'agglutinent en formant tout autour d'eux des branches glacées appelées flocons. Les flocons de neige sont donc des amas de minuscules cristaux. Chaque flocon est différent des autres, sauf que tous ont six faces. Ce qui vient d'être établi est vrai pour les types de neige suivants: neige en grains, neige et neige roulée.

Cependant, si le sol est à une température supérieure à 0, alors on aura droit à de la neige fondante.

En examinant attentivement un flocon de neige, on pourrait se rendre compte qu'on peut les classifier sous 5 formes différentes. Ces formes sont une bonne indication de la température à laquelle le flocon a été formé. Evidemment, en tombant vers le sol, le flocon d'origine peut s'amalgamer avec d'autres flocons de neige qu'il
rencontre sur son passage. Rendu au sol, il sera alors la combinaison des 5 formes de base. Si le flocon traverse une couche d'air plus chaud, il aura l'air d'une grosse goutte plutôt que d'un flocon aux contours bien définis. En fait, en étudiant la forme d'un flocon, on peut en apprendre beaucoup sur la température de l'altitude à laquelle il a été formé ainsi que sur les différentes couches d'air qu'il a traversées pour se rendre au sol.

De 0 à -4 C : ils ont la forme d'assiettes minces hexagonales;
de -4 à -6 C : ce sont des aiguilles;
de -6 et -10 C : ils ressemblent à des colonnes creuses;
de -10 à -12 C : les assiettes ressemblent maintenant à des flocons à 6 pointes;
de -12 à -16 C : ils ont la forme d'une dendrite.

Formation des cristaux de glace

Ceux-ci se produisent souvent par temps dégagé, vent calme et très froid. C'est l'humidité qui est présente dans l'air qui se condense en se cristalisant. Ces cristaux sont bien petits... presqu'imperceptibles...

Particules	diamètre
gouttes dans un nuage	0,012 mm
grosses gouttes dans un nuage	0,1 mm
goutte de brume	0,5 mm
goutte de bruine	1,2 mm
goutte de pluie	3,0 mm
grosse goutte de pluie	6,0 mm