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VIDÉOS : comment les orages participent à la régulation du climat global

Orages vus depuis la station spatiale internationale. Crédits : Wikimedia Commons.

Comme nous l’expliquions dans un précédent article, la convection atmosphérique permet à la Terre de ne pas subir la chaleur insoutenable qui résulterait du seul effet de serre naturel. Les orages participent grandement à cet équilibre radiatif-convectif. En effet, en assurant un brassage vertical d’air et d’eau sur une importante épaisseur, ils redistribuent de façon très efficace l’énergie entre surface et altitude. Dans cet article, nous illustrons le rééquilibrage accompli par la convection orageuse grâce à une simulation numérique à haute résolution.

Commençons par une brève description du domaine d’étude. La zone géographique en question se situe dans les grandes plaines états-uniennes, couvre un carré de 400 kilomètres de côtés et s’étend sur 10 kilomètres au-dessus du niveau de la mer. Les deux petits films présentés ci-dessous retranscrivent les phénomènes selon une unique section verticale ouest-est représentative des développements orageux. Autrement dit, il s’agit de diagrammes longitude/altitude. La situation météorologique est celle de fin mai 2002.

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Cumulonimbus calvus, premier stade de l’orage. Crédits : Max Pixel.

Déséquilibre énergétique et convection atmosphérique

La première animation montre l’évolution de la quantité de vapeur d’eau dans l’air (lignes noires) et d’une variable appelée température potentielle équivalente (palette de couleurs). Cette dernière combine les effets de la température, de l’humidité et de la pression. Ainsi, elle retranscrit mieux l’énergie contenue dans l’atmosphère.

Sur le film, on remarque un contraste horizontal de basse couche correspondant à un front atmosphérique, avec un air relativement froid et sec à l’ouest, chaud et humide à l’est. De plus, un net contraste vertical existe du côté oriental du front – dans l’air chaud – témoignant d’une masse d’air très instable. Un déséquilibre énergétique vertical est donc présent dans cette zone : excès d’énergie en basse couche et déficit en altitude. C’est cette anomalie que les orages vont travailler à réduire.

Crédits : DR.

La première chose que l’on remarque est que l’air ne se met pas spontanément en convection profonde, contrairement à ce que l’on observe dans une casserole d’eau chauffée par le bas. Au début, l’air anormalement chaud reste au contraire confiné près de la surface. L’explication tient au fait qu’une barrière de stabilité doit être franchie pour activer le transfert. On parle d’instabilité conditionnelle *. Autrement dit, un élément extérieur est nécessaire pour donner l’impulsion initiale qui va tout précipiter. Le cas échéant, il s’agit du front de basse couche, aidé par le chauffage solaire.

En forçant l’air chaud et humide vers le haut, il va permettre la condensation de la vapeur d’eau qu’il contient et donc la formation de nuages. Or, ce processus libère de l’énergie et le couvercle qui empêchait la convection finit par sauter. Une phase bien mise en évidence dans l’animation. À ce stade, les premiers orages entretiennent les bouffées convectives en raison des perturbations qu’ils provoquent dans l’air chaud et humide à l’avant.

Les orages : une re-stratification brutale de l’atmosphère 

Vers la fin du film, le gradient vertical est nettement réduit et l’instabilité avec. Les mouvements convectifs ont expulsé la chaleur humide en altitude et rabattu un air plus frais et sec en surface. D’autres phénomènes impliquant des mouvements verticaux plus lents mais aussi plus étendus prennent alors le relais et contribuent à réduire le déséquilibre résiduel (vertical et horizontal). Le cycle peut se répéter plusieurs jours de suite si la situation évolue peu, car le chauffage solaire et les apports d’air méridiens peuvent facilement le reconstruire.

Crédits : DR.

La seconde animation présente les mouvements verticaux (palette de couleurs) avec des valeurs positives pour les ascendances et négatives pour les subsidences. Ce visuel a l’avantage de montrer l’étroitesse et surtout l’intensité des circulations mises en jeu dans les épisodes orageux. Cette virulence matérialise une re-stratification brutale de l’atmosphère (l’air dense est rabattu sous l’air plus léger) et qui s’accompagne souvent de phénomènes violents tels que les pluies diluviennes, les chutes de grêle, les rafales de vent intenses voire même les tornades.

En résumé, si les orages sont parfois la cause de bilans matériels et humains très lourds, ils travaillent en premier lieu au maintien d’un équilibre global qui octroie à la Terre le climat agréablement tempéré que nous lui connaissons. Une ambivalence qui participe certainement à alimenter les fascinations vis-à-vis de ce phénomène parmi les plus spectaculaires que puisse offrir la Nature.

* Plus précisément, on parle d’instabilité conditionnelle si elle nécessite la condensation d’une certaine quantité de vapeur d’eau pour se manifester. C’est ce besoin de condensation qui explique pourquoi la convection ne part pas spontanément.