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Pourquoi les nuages orageux ont-ils une forme de chou-fleur ?

Crédits : Михал Орела / Flickr.

Spectacle couramment observé en période orageuse : des nuages s’apparentant à des choux-fleurs géants gonflent dans le ciel. Si leur développement se poursuit, l’orage ne tardera pas à éclater. Ici, nous exposons quelques éléments pour comprendre d’où vient cette particularité visuelle si caractéristique.

En saison chaude, il est fréquent d’avoir l’apparition de cumulus parsemant le ciel en cours de journée. Ces nuages en apparence inoffensifs peuvent parfois prendre des proportions démesurées. Ils arborent alors la forme de choux-fleurs* gigantesques symptomatiques du temps orageux et qui, à l’occasion, grossissent à vue d’œil. On parle d’ailleurs souvent de bourgeonnements – ou même de bouillonnements – nuageux pour indiquer ce phénomène. Il existe tout un spectre de dimension et d’intensité de bourgeonnements, de ceux associés à de petits cumulus à ceux reliés aux tours convectives surpuissantes de certains cumulonimbus. Suivant la position de l’observateur par rapport aux nuages présents, ils pourront être visibles ou non. Il est évident que sous la base d’un orage ou en cas de ciel couvert, il sera très difficile de les percevoir…

Une question qui peut se poser est de savoir à quoi est due cette particularité morphologique de type “bouillonnement ” que l’on retrouve essentiellement chez les gros cumulus et les cumulonimbus**. Il s’avère en fait que ces nuages instables exacerbent très largement un processus qui est présent dans tous les types de nuages : la turbulence à l’interface entre le milieu nuageux et le milieu environnant.

Prenons l’exemple d’un petit cumulus dans un ciel d’été. À l’intérieur de celui-ci, l’air saturé est matérialisé par une myriade de petites gouttelettes en suspension. Les conditions sont comparables à celles rencontrées lors d’un brouillard très dense. À l’extérieur, l’air est sous-saturé. Il n’y a donc pas de gouttelettes présentes et la visibilité est très bonne. Si maintenant l’on regarde ce qui se passe au niveau de l’interface entre ces deux milieux, on remarque qu’il y’a constamment des incursions d’air sous-saturé de l’environnement dans le nuage, et d’air saturé du nuage qui s’échappe vers l’environnement. Ces mouvements turbulents prenant la forme de tourbillons redessinent continuellement l’aspect du cumulus. Ils se retrouvent à différents degrés d’intensité suivant les différents types de nuages. Certains d’entre eux, comme les stratus, peuvent avoir une forme laminaire (lisse, homogène) lorsque le mélange à l’interface est faible.

Crédits : Max Pixel.

Ce qui se passe sur les bords d’une vigoureuse ascendance orageuse relève du même principe, à la différence près qu’en raison de sa vigueur, le mélange et les circulations turbulentes y sont très fortement accentués. Le cœur de l’ascendance peut dépasser les 150 km/h, alors que l’environnement immédiat dans lequel elle évolue subit un mouvement descendant compensateur accentué par l’évaporation des gouttelettes en périphérie. En conséquence, le gradient de vitesse à l’interface entre les deux est très violent et y crée une instabilité qui va conduire au développement de toute une gamme de tourbillons (de l’ordre de plusieurs centaines de mètres à moins d’un centimètre). Les plus gros d’entre eux se fragmentent continuellement en plus petits jusqu’à l’échelle de dissipation visqueuse – ce qui correspond à une cascade d’énergie en turbulence. C’est cette population d’innombrables tourbillons générés par une forte instabilité d’interface qui explique donc la morphologie particulière des nuages convectifs.

En théorie, on pourrait pousser l’analyse beaucoup plus loin, mais dans un souci de clarté, seuls les points principaux ont été abordés. Cela témoigne de la complexité de la physique associée aux processus nuageux. Pensez-y la prochaine fois que vous observerez un cumulonimbus en formation et son cortège de bouillonnements !

* Lorsque les gros cumulus gonflent et atteignent le stade du cumulonimbus, leur sommet s’aplatit et forme une enclume tout aussi symptomatique, mais qui n’est pas le sujet de cet article.

** On retrouve également cette structure générale chez les panaches d’éruptions volcaniques ou ceux d’explosions atomiques.

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