Comment se forme la grêle ?

On en entend souvent parler en été lors des dégradations orageuses. Particulièrement redoutée en raison de ses effets destructeurs sur les cultures, la végétation ou même les habitations et les transports, la grêle est une précipitation caractéristique des nuages instables à forte extension verticale. Mais comment se forme-t-elle ? 

La grêle est un hydrométéore qui prend naissance dans les nuages instables de grande extension verticale, comme peuvent l’être le cumulonimbus ou parfois certains gros cumulus. Selon la définition de l’Organisation météorologique mondiale (OMM), on parle de grêle lorsque la bille de glace a un diamètre de 5 millimètres ou plus. Si la dimension est inférieure à cette valeur, on parle de grésil. De petites particules de glace transparente peuvent occasionnellement tomber de nuages dits stables (type stratus) – on parle de granules de glace – mais celles-ci ont un mode de formation bien différent du grésil et de la grêle. Nous n’en parlerons donc pas ici.

Le point de départ de la formation d’un grêlon est la présence d’un fort courant ascendant qui va donner naissance à un cumulonimbus. Dans l’ascendance de ce dernier, on retrouve généralement beaucoup d’eau surfondue c’est-à-dire de l’eau qui reste liquide en dessous du 0 °C, parfois jusqu’à des températures de l’ordre de -40 °C. Bien que la majorité des particules y soient surfondues, il existe tout de même une certaine proportion d’eau sous forme glacée. Ce sont notamment des cristaux très fins qui grossissent par condensation solide : la vapeur d’eau présente dans l’air se condense directement en glace à leur surface. Ces cristaux serviront d’embryons pour la grêle. En effet, à mesure qu’ils grossissent, ils acquièrent un mouvement descendant par rapport aux gouttelettes surfondues. Ces dernières vont alors entrer en collision avec eux et geler à leur contact. Ce processus de captation augmente leur poids et donc leur vitesse de chute relative. Ce mouvement s’accélère et se poursuit jusqu’à ce qu’une couche de glace de quelques millimètres englobe entièrement le cristal initial. Des particules de grésil sont nées.

Si elles n’étaient pas maintenues en l’air par de vigoureux mouvements ascendants, elles tomberaient rapidement au sol sous forme de grosses gouttes de pluie – ou d’une averse de grésil suivant l’importance de la fonte. Cela se produit la plupart du temps et explique que la grêle ne soit pas une précipitation très fréquente. Elle nécessite des courants ascendants puissants et suffisamment durables pour que le processus puisse se poursuivre. Lorsque c’est le cas, les gouttes et gouttelettes continuent de s’agglutiner sur le grésil en augmentant toujours plus l’épaisseur de glace. Éventuellement, celle-ci atteint plusieurs dizaines de millimètres. Le nuage contient désormais des grêlons qui s’échapperont par sa base dès que leur poids sera trop élevé pour l’ascendance. En tombant vers le sol, ils rencontreront des températures bien supérieures à 0 °C ainsi que des conditions sous-saturées : fonte et évaporation réduiront donc la taille de l’hydrométéore durant son trajet vers la surface. Ainsi, le diamètre d’un grêlon en surface est toujours plus faible que celui que l’on pourrait mesurer à la sortie du nuage.

Les conditions idéales pour la croissance des grêlons se rencontrent lorsque la vitesse de chute des particules de grêle ou de grésil est à peu près égale à la vitesse du courant ascendant, et lorsque le contenu en eau surfondue est très élevé. Dans ce scénario, elles peuvent rester suspendues dans une région de croissance rapide pendant un long moment.

Les grands traits esquissés précédemment sont loin d’être exhaustifs. La formation de la grêle est un processus très complexe faisant intervenir des interactions subtiles entre les mouvements d’air dans les nuages et la microphysique de ceux-ci. Par exemple, si l’ascendance est trop forte par rapport à la vitesse de chute des particules de glace, elles peuvent être éjectées dans l’enclume du cumulonimbus et donc sortir de la zone de croissance. Même une fois que de gros grêlons sont formés dans le nuage, suivant que leur chute se produit au travers de l’ascendance ou du courant descendant, leur taille au sol pourra être très différente… Des recherches sont toujours en cours dans ce domaine, car la grêle n’a pas encore révélé tous ses secrets !

Source : Mesoscale meteorology in midlatitudes, Paul Markowski & Yvette Richardson, 2010.