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À quoi servent les orages et dans quelles conditions se déclenchent-ils ?

Crédits : pexels / Dmitry Zvolskiy.

Aléas caractéristiques de la saison estivale, les orages font souvent la une des journaux de part les dégâts – voire les morts – qu’ils provoquent. De fait, ils portent une connotation négative dans l’imaginaire collectif. Pourtant, ce phénomène joue un rôle central dans l’équilibre énergétique du système climatique. Mais quelle est la recette qui mène à l’apparition d’une cellule orageuse ? La réponse n’est pas aussi évidente qu’on pourrait le penser.

Les orages sont des manifestations atmosphériques qui trahissent la présence de mouvements convectifs profonds dont le moteur est la force de flottabilité. Dans l’atmosphère, la convection profonde – i.e. s’étendant sur l’épaisseur de la troposphère – est toujours humide et précipitante. C’est-à-dire associée à la condensation de vapeur d’eau. De ce fait, elle se présente sous forme de cumulus congestus et, surtout, de cumulonimbus.

Trois éléments sont nécessaires pour qu’un orage puisse apparaître.

Instabilité de flottabilité : entre température et humidité

Premièrement, il faut que l’atmosphère soit instable du point de vue de la flottabilité. Dans ces conditions, une particule d’air déplacée verticalement tendra à devenir plus légère – chaude – que son environnement. Elle va donc accélérer dans le sens du déplacement initial, c’est-à-dire s’éloigner toujours plus de sa position de départ. Une telle configuration permet la formation de mouvements verticaux rapides d’échelle aérologique.

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Orages au-dessus du Brésil, capturés depuis l’espace par un astronaute en février 1984. Crédits : Wikimedia Commons / NASA.

Cependant, comme cela a été souligné précédemment, pour observer une convection profonde, il faut aussi que l’atmosphère soit suffisamment humide. C’est le second élément. Dans le cas contraire, on observera au mieux une instabilité sèche et confinée aux basses couches – de type thermiques purs bien connus des parapentistes.

En effet, la condensation de la vapeur d’eau libère de la chaleur. Une particule qui s’élève et qui voit son eau condenser se refroidit donc moins vite qu’une particule d’air sec. Ainsi, elle est plus facilement – et plus longtemps – en anomalie chaude par rapport à son environnement. Cela lui permet de subir une excursion verticale bien plus importante, souvent jusqu’à la tropopause.

En résumé, l’instabilité de flottabilité nécessaire à la genèse d’ascendances profondes et précipitantes requiert à la fois une décroissance suffisante de la température avec l’altitude et la présence d’humidité. En particulier dans les basses couches.

Nécessité d’un mécanisme de soulèvement 

Le troisième élément concerne la présence d’un mécanisme de soulèvement forcé capable d’initier la convection orageuse. Pourquoi ?

Sans rentrer dans les détails, on peut montrer que l’atmosphère n’est jamais suffisamment instable pour que la convection profonde démarre spontanément. En fait, il existe toujours une sorte de couvercle qui va agir comme une force de rappel pour les parcelles d’air ayant commencé à s’élever depuis la surface. À ce stade, on observe au mieux quelques cumulus peu menaçants.

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Crédits : Wikimedia Commons.

Le mécanisme de soulèvement qui va permettre aux parcelles d’air de surmonter la force de rappel est souvent une zone de convergence des vents – une limite frontale ou pré-frontale. Les reliefs sont également de bons candidats dû fait des circulations qui se mettent en place sous l’effet du chauffage diurne. Une fois le couvercle percé par le mouvement forcé, l’instabilité de flottabilité est libérée de la manière décrite plus haut dans l’article.

On parle d’instabilité conditionnelle : les déplacements sont instables seulement si ils sont suffisamment importants (afin de passer le couvercle).

Un maillon essentiel dans l’équilibre énergétique global

Au final, compte tenu des 3 éléments évoqués, des cellules orageuses apparaissent puis se multiplient au niveau des zones de soulèvement forcé. Néanmoins, il existe des cas où, malgré tout, rien ne se passe. Ces situations plutôt rares font l’objet de recherches, en particulier aux États-Unis.

Enfin, rappelons que les orages sont des régulateurs climatiques essentiels car ils participent à la redistribution verticale de l’énergie dans l’atmosphère. Lorsqu’un déséquilibre vertical apparaît – souvent dû à un excès de chaleur en basse couche -, la convection s’enclenche et le résorbe*. Sans ce phénomène, la température et l’humidité à la surface de la Terre seraient beaucoup plus élevées. Des conditions létales pour bon nombre d’organismes vivants.

* Aux mécanismes de stockage près, qui pourraient faire l’objet d’un article à part entière. En effet, l’énergie excédentaire est rarement libérée de suite. Chacun a pu faire l’expérience de journées très chaudes ne débouchant sur aucun orage, et ce malgré une atmosphère effectivement instable – donc déséquilibrée.

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