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Pluie, neige et grêle : comment se forment les précipitations ?

Crédits : Pixnio.

Pourquoi certains nuages produisent-ils des précipitations, qu’il s’agisse de pluie, de neige ou parfois de grêle ? Comment expliquer que certains d’entre eux parviennent à générer des trombes d’eau en à peine quelques dizaines de minutes alors que d’autres peuvent persister plusieurs heures sans donner la moindre goutte ? Le point dans cet article.

Si l’on condensait toute la vapeur d’eau présente dans l’atmosphère à un instant donné et qu’on la distribuait uniformément à la surface de la Terre, on obtiendrait une couche d’eau de 2,5 centimètres d’épaisseur environ. Le même exercice appliqué aux gouttelettes et cristaux constitutifs des nuages formerait une couche d’un dixième de millimètre seulement.

Le fait que les nuages correspondent à une fraction infime d’un élément qui ne représente lui-même au mieux que quelques pour cent de la composition de l’atmosphère est une autre manière d’illustrer pourquoi les modèles ont tant de mal à gérer leur évolution. Aussi, pour un scénario donné, les nuages restent à ce jour la principale cause d’incertitudes dans les projections climatiques.

L’apparition des condensats

Pour se former, les gouttelettes et les cristaux de glace nécessitent la présence de poussières microscopiques. À l’image de la nacre qui s’accumule autour des grains de sable et forme les perles des huîtres, ces poussières vont jouer le rôle d’embryons autour desquels la condensation de la vapeur d’eau va pouvoir commencer. On parle de noyaux de condensation pour les gouttelettes d’eau et de noyaux glaciogènes pour les cristaux de glace.

Une fois qu’un certain nombre de condensats s’est formé, un nuage apparaît. Cependant, le chemin est encore long avant que notre brume vaporeuse ne puisse produire des précipitations. En effet, les particules d’eau vont devoir décupler leur taille, donc leur poids, de façon considérable avant d’être suffisamment lourdes pour pouvoir échapper à la turbulence de l’air et tomber au sol. Si cette condition n’est pas remplie, le nuage ne donne pas de précipitations.

précipitations
Instantané des précipitations tombant sur Terre (en vert, jaune et rouge, les intensités de pluie, en nuances de bleu, celles de la neige). Crédits : NASA.

Vers la genèse des précipitations

Contrairement à ce que l’on pourrait penser, les gouttelettes et les cristaux sont encore trop petits pour que la croissance puisse se faire par collisions. Les particules vont donc continuer à gagner en taille par transfert de vapeur d’eau, c’est-à-dire par condensation. Cette dernière est toutefois très particulière, car elle nécessite cette fois-ci la présence de cristaux de glace.

Dans la partie du nuage à température négative, on trouve initialement un grand nombre de gouttelettes en état de surfusion (liquides sous 0 °C) mais très peu de cristaux. Et pour cause, les noyaux de glaciation sont très rares tant que le sommet du nuage n’est pas assez élevé. En effet, l’eau est assez tatillonne sur les noyaux permettant la glaciation et ce n’est qu’à très basse température qu’ils deviennent actifs.

Or, lorsque les cristaux font leur apparition dans la partie supérieure du nuage, les gouttelettes tendent à s’évaporer et à transférer leur eau vers les particules de glace. Par conséquent, les cristaux se multiplient, gagnent en taille et tombent par rapport aux autres particules. Le processus s’apparente à une véritable réaction en chaîne avec nombre croissant de cristaux, de plus en plus volumineux.

C’est le début du cheminement vers la précipitation. Intervient alors un second mécanisme, dit de collection, qui va encore accélérer la croissance des particules de glace.

Entre pluie, neige et grêle

Si la température du milieu nuageux est partout négative, le cristal va continuer à croître par transfert de vapeur mais surtout par agrégation, c’est-à-dire par collision avec d’autres cristaux : un flocon de neige se forme. Dans sa chute vers la surface, le flocon va traverser un milieu avec une température supérieure au 0 °C et se transformer en goutte d’eau. C’est de loin le mécanisme le plus fréquent de formation de la pluie aux latitudes tempérées.

Schéma bilan des différentes formes de précipitations et des mécanismes qui en sont à l’origine. Les couleurs rouge et bleu indiquent respectivement les zones à température positive et négative. La pluie verglaçante et les granules de glace (ice pellets) sont des formes moins courantes de précipitations. Crédits : Meteorology for Aviation, Jean-Henry Robres & coll. 2013.

La partie inférieure du nuage peut néanmoins être à température positive et, dans ce cas, la goutte continue à croître par coalescence en fusionnant avec d’autres gouttes et gouttelettes tant qu’elle se trouve dans le nuage. Dans le cas où la température est suffisamment froide à l’intérieur et sous le nuage pour prévenir la fonte, les flocons tombent jusqu’en surface et l’on observe des chutes de neige.

Enfin, si le milieu nuageux est riche en eau liquide surfondue, ce qui est le cas des nuages instables de type cumulonimbus, le cristal va entrer en collision avec un grand nombre de gouttelettes en surfusion qui vont instantanément geler à son contact. Par conséquent, collision après collision, le cristal se couvre d’une coquille de glace.

Ce mécanisme d’accrétion mène à l’apparition de grésil si les particules tombent assez vite du nuage ou de grêle si les ascendances sont assez puissantes pour les maintenir en l’air. Comme pour les flocons, toute particule de grésil n’atteint pas le sol et peut se transformer en goutte si une couche d’air suffisamment chaud est présente entre le nuage et la surface.

Source : Meteorology for Aviation, Jean-Henry Robres & coll. 2013.