Météorologie

La météo en général

La météorologie a pour objet l’étude des phénomènes atmosphériques tels que les nuages, les précipitations ou le vent dans le but de comprendre comment ils se forment et évoluent en fonction des paramètres mesurés tels que la pression, la température et l’humidité. Le mot vient du grec antique où meteor désigne les particules en suspension dans l’atmosphère et logos veut dire discours ou connaissance.

C’est une discipline qui traite principalement de la mécanique des fluides et de la thermodynamique mais qui fait usage de différentes autres branches de la physique, de la chimie et des mathématiques. Purement descriptive à l’origine, la météorologie est devenue un lieu d’application de ces disciplines. La météorologie moderne permet d’établir des prévisions de l’évolution du temps en s’appuyant sur des modèles mathématiques à court comme à long terme. La météorologie a des applications dans des domaines très divers comme les besoins militaires, la production d’énergie, les transports maritimes et terrestres, l’agriculture, la médecine, la construction, la photographie aérienne ou le cinéma. Elle est également appliquée pour la prévision de la qualité de l’air.
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Les orages

Un orage, de l’ancien français ore qui signifiait vent, est une perturbation atmosphérique d’origine convective associée à un type de nuage particulier : le cumulonimbus. Ce dernier est à forte extension verticale, il engendre des pluies fortes à diluviennes, des décharges électriques de foudre accompagnées de tonnerre. Dans des cas extrêmes, l’orage peut produire des chutes de grêle, des vents très violents et, rarement des tornades.

Les orages peuvent se produire en toute saison, en autant que les conditions d’instabilité et d’humidité de l’air sont présentes. Le plus grand nombre se retrouve sous le Tropiques et leur fréquence diminue en allant vers les Pôles où ils ne se produisent qu’exceptionnellement. Dans les latitudes moyennes, le nombre varie avec la saison.
Comme dans le cas des averses, les orages se forment dans une masse d’air instable lorsqu’il y a une réserve importante de chaleur et d’humidité à bas niveau de la troposphère et d’air plus sec et froid en altitude. Une parcelle d’air plus chaude que l’environnement entre en convection. Tant qu’elle n’est pas saturée, sa température change selon le taux adiabatique sec. À partir de la saturation, la vapeur d’eau contenue dans la parcelle d’air condense selon les lois de la thermodynamique, ce qui relâche de la chaleur latente et son changement de température avec la pression est alors celui qu’on appelle le taux pseudo-adiabatique humide. L’accélération ascensionnelle se poursuit, jusqu’à ce que la parcelle arrive à un niveau où sa température égale celle de l’air environnant. Ensuite, elle se met à décélérer et le sommet du nuage est atteint quand la particule atteint une vitesse nulle.

L’Énergie Potentielle de Convection Disponible (EPCD) pour ce type de nuages est plus grande que pour une averse et permet de développer des sommets de nuages qui atteindront une plus grande altitude. Ceci est important car les gouttes qui s’élèvent dans le courant ascendant perdent des électrons par collision comme dans un accélérateur de Van de Graff. Un plus haut sommet permet d’atteindre une température inférieure à -20 °C nécessaire pour donner un grand nombre de cristaux de glace. Ces derniers sont de meilleurs producteurs et transporteurs de charge, ce qui permet une différence de potentiel suffisante entre la base et le sommet du nuage pour dépasser le seuil de claquage de l’air et donner de la foudre.

L’instabilité potentielle de l’air n’est pas le seul critère, il faut généralement un déclencheur. Par exemple, le passage d’un front froid ou le réchauffement diurne. Un tel déclencheur peut agir à la surface ou en altitude, ce qui fait que les orages peuvent se développer près du sol ou être basés aux niveaux moyens de l’atmosphère. Les orages peuvent donc se produire en toute saison, pourvu que les conditions soient remplies. Hormis les régions équatoriales, la période la plus active va de la fin du printemps au début de l’automne, car c’est à ce moment que l’atmosphère est la plus chaude et humide.

On classe les orages en plusieurs catégories selon l’énergie potentielle de convection disponible (EPCD) et le cisaillement du vent avec l’altitude :
– Orages unicellulaires
– Orages multicellulaires
– Orages supercellulaires

On note quatre types d’orages supercellaires, classés selon leur intensité de précipitation ou leur extension verticale :

Supercellule classique
C’est la forme la plus typique d’une supercellule décrite précédemment.

Mini-supercellule (LT pour Low Topped en anglais)
Caractérisée par une hauteur de tropopause plus faible et généralement une EPCD (Energie Potentielle Convective Disponible) plus modérée. Elles se produisent en général dans des conditions atmosphériques plus froides comme au printemps et à l’automne. Le cisaillement et la présence d’un mésocyclone sont par contre bien présents car le cisaillement des vents est alors plus important. Elles sont aussi appelées micro-supercellules.

Supercellule à faible précipitation (LP en anglais pour Low Precipitation)
Caractéristique des endroits plus secs comme les Prairies canadiennes et les Grandes Plaines américaines, elles ont une base très haute au-dessus du sol et une grande extension verticale mais leur dimension horizontale est faible. Le taux de précipitation vu au radar, dans le nuage et sous celui-ci, est peu élevé et il est souvent difficile d’y voir une rotation. Toutefois, il peut se produire une chute de gros grêlons qui engendrent peu d’échos radar. La colonne de pluie est séparée de la zone en rotation et de celle de grêle. Ces cellules orageuses peuvent donner tous les éléments violents mentionnés antérieurement mais le plus probable est la grêle.

Supercellule à forte précipitation (HP pour Hight Precipitation en anglais)
Elles se forment dans un environnement riche en humidité. Elles sont plus étendues horizontalement, leur base est le plus souvent obscurcie par la pluie et on ne distingue souvent pas les zones de pluie, grêle et de rotation. Ils donnent surtout des pluies torrentielles, des rafales descendantes et des tornades faibles à modérées, mais sont très dangereuses car les tornades sont dans une supercellule HP noyées dans le coeur des précipitations, ce qui rend la tornade presque invisible. La grêle y est moins probable.

La grêle

La grêle se forme sous certains orages et peut détruire les cultures, endommager les véhicules et les maisons ainsi que nuire à la circulation. Les avions, planeurs et dirigeables sont très susceptibles d’encourir des dommages lorsqu’ils passent à proximité de ces nuages. En effet, non seulement ils seront frappés dans le nuage mais également à une certaine distance de celui-ci par l’éjection des grêlons. De plus, ces derniers seront souvent plus gros que ceux retrouvés au sol, puisque les appareils volent à un niveau de température où la fonte n’a pas encore eu le temps de réduire les grêlons.

La foudre

Même l’orage le plus bénin comporte par définition de la foudre. Celle-ci est une décharge électrique à travers l’air entre une partie du nuage et un autre ou le sol. Cette décharge se fait sous une haute tension, crée un plasma et cause des dégâts si elle passe à travers un objet. Lorsque la foudre va du nuage vers le sol, elle emprunte le chemin le plus court et frappe donc généralement le point le plus élevé de ce dernier. Lorsque foudroyé, un arbre, une maison ou un humain sera soumis à ce courant intense qui causera des dommages importants et souvent la mort.
Les accidents liés à la foudre sont rares avec les avions et les planeurs. Bien qu’ils puissent être frappés, ils constituent une cage de Faraday qui isole leurs occupants. Le courant suit donc l’extérieur de la carlingue et continue vers le sol ou un autre nuage. La même chose peut être dite d’une automobile frappée par la foudre mais pas d’une motocyclette, puisque l’occupant dans ce cas est exposé aux éléments et que l’arc électrique peut passer par son corps puis continuer vers le sol à travers l’air humide.

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Les nuages

Un nuage est une grande quantité de gouttelettes d’eau (ou de cristaux de glace) en suspension dans l’atmosphère. L’aspect d’un nuage dépend de la lumière qu’il reçoit, de la nature, de la dimension, du nombre et de la répartition des particules qui le constituent. Les gouttelettes d’eau d’un nuage proviennent de la condensation de la vapeur d’eau contenue dans l’air. La quantité maximale de vapeur d’eau (gaz invisible) qui peut être contenue dans une masse d’air est fonction de la température : plus l’air est chaud, plus il peut contenir de vapeur d’eau (Voir Pression de vapeur saturante et Formule de Clapeyron).

On parle aussi de nuages de fumées et de nuages de poussière, par analogie avec les formes que prennent les nuages atmosphériques (amas, filaments, volutes). Toujours par analogie, on parle de nuages de sauterelles (déplacement de grands nombres de criquets) et de nuages de points (regroupement de points sur des diagrammes mathématiques).

La formation

La formation de nuages résulte du refroidissement d’un volume d’air jusqu’à la condensation d’une partie de sa vapeur d’eau. Si le processus de refroidissement se produit au sol (par contact avec une surface froide, par exemple), on assiste à la formation de brouillard. Dans l’atmosphère libre, le refroidissement se produit généralement par soulèvement, en vertu du comportement des gaz parfaits dans une atmosphère hydrostatique, selon lequel un gaz se refroidit spontanément lorsque la pression baisse. Inversement, la dissipation des nuages se produit lorsqu’un réchauffement permet aux gouttelettes ou aux cristaux de glace de s’évaporer. Les nuages peuvent aussi perdre une partie de leur masse sous forme de précipitations, par exemple sous forme de pluie, grêle ou neige.

La condensation de la vapeur d’eau, en eau liquide ou en glace, se produit initialement autour de certains types de micro-particules de matière solide (aérosols), qu’on appelle des noyaux de condensation ou de congélation. La congélation spontanée de l’eau liquide en glace, dans une atmosphère très pure, ne se produit pas au-dessus de -40 °C. Entre 0 et -40 °C, les gouttes d’eau restent dans un état métastable (surfusion), qui cesse dès qu’elles rentrent en contact avec un noyau de condensation (poussière, cristal de glace, obstacle). Lorsque ce phénomène se produit au sol, on assiste à des brouillards givrants.

Juste après la condensation ou la congélation, les particules sont encore très petites. Pour des particules de cette taille, les collisions et l’agrégation ne peuvent pas être les facteurs principaux de croissance. Il se produit plutôt un phénomène connu sous le nom de « effet Bergeron ». Ce mécanisme repose sur le fait que la pression partielle de saturation de la glace est inférieure à celle de l’eau liquide. Ceci signifie que, dans un milieu où coexistent des cristaux de glace et des gouttelettes d’eau surfondue, la vapeur d’eau ambiante se condensera en glace sur les cristaux de glace déjà existants, et que les gouttelettes d’eau s’évaporeront d’autant. On voit ainsi que le soulèvement est doublement important dans la formation de nuages et de précipitation : en premier lieu comme mécanisme de refroidissement, et ensuite comme porteur de gouttelettes d’eau liquide jusqu’au niveau où elles deviennent surfondues.

Le soulèvement peut être dû à la convection, à la présence de terrains montagneux faisant obstacle à l’écoulement de l’air ou à des facteurs de la dynamique atmosphérique, comme les ondes baroclines (aussi appelées « ondes frontales »).

Les types de nuages

Les nuages se forment selon deux processus : la convection et le soulèvement progressif de la masse d’air.

Le soulèvement convectif est dû à l’instabilité de l’air. Il est souvent vigoureux et au déclenchement abrupt. Il produit des nuages caractérisés par une extension verticale élevée, mais une extension horizontale limitée. Ces nuages sont désignés génériquement par le terme « cumulus ». Ils peuvent se développer à différent niveaux de la troposphère, là où l’instabilité existe.

Le soulèvement dit synoptique est le résultat des processus de la dynamique en atmosphère stable, dans un écoulement stratifié. Ce soulèvement est graduel, produisant des systèmes nuageux d’une texture uniforme, pouvant couvrir des milliers de kilomètres carrés. Ces nuages sont désignés génériquement par le terme « stratus ». Il arrive parfois que ce soulèvement graduel déstabilise la couche atmosphérique, donnant lieu à des nuages convectifs imbriqués dans le nuage stratiforme.

Les couleurs

La diffusion de la lumière par les gouttelettes des nuages selon la théorie de Mie se fait surtout vers la direction d’où vient la lumière et dans la direction où elle va. Ainsi, la blancheur des nuages est maximale lorsque l’observateur dirige son regard dans un axe aligné avec le soleil, soit dans le dos ou devant lui. À tout autre angle, il reçoit seulement une fraction de la luminosité.

La dispersion de la lumière à travers les cristaux de glace des cirrostratus, obéit quant à elle à la diffusion de Rayleigh qui est isotrope selon l’angle mais dépend de la longueur d’onde. C’est pourquoi on voit souvent des halos circulaires autour du soleil lorsque ce type de nuage s’interpose.

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Les tornades

Une tornade (de l’espagnol tornado, dérivé du verbe tornar, tourner) est un tourbillon de vents extrêmement violents, prenant naissance à la base d’un nuage d’orage (cumulonimbus) lorsque les conditions de cisaillement des vents sont favorables dans la basse atmosphère. De très faibles tornades peuvent également se développer sous des nuages d’averses (cumulus bourgeonnant).

Ce phénomène météorologique a un pouvoir destructeur supérieur à celui d’un cyclone tropical au mètre carré, mais est de durée et d’étendue limitées : il concerne un corridor de quelques centaines de mètres de large sur quelques kilomètres de long. Certaines tornades ont engendré les vents les plus forts signalés à la surface du globe. Elles tuent chaque année de 300 à 400 personnes (selon une estimation de l’Organisation météorologique mondiale), dont 150 aux États-Unis.

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Les tornades au Québec

Les tornades sont plutôt rares mais il y en a chaque année au Québec, en moyenne 5,3 tornades. Historiquement, elles sont plus fréquentes durant les mois de juin, juillet et août et sont essentiellement de force F0, étant l’intensité la plus faible sur l’échelle de Fujita.

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