1.1 Des notions de base en météorologie
1.1.3 La formation de la précipitation
L’atmosphère peut contenir de l’eau sous trois formes : gazeuse, liquide et solide.
La répartition de l’eau entre ces trois phases dépend des éléments suivants :
• La température de l’air
• La pression de l’air
• Le soulèvement de l’air
• La présence de noyaux de condensation
• La présence de noyaux glaçogènes
• La présence de gouttelettes d’eau surgelées L’influence de la température de l’air
La température de l’air influence fortement la quantité d’eau liquide que peut contenir l’atmosphère. Plus la température est élevée, plus cette quantité est grande. Lorsque l’atmosphère contient la quantité maximale de vapeur d’eau par rapport à un équilibre à une surface d’eau liquide, on dit qu’elle est saturée et que son humidité relative est de 100 %.
Livre 1 Les phénomènes atmosphériques 9
Air froid Air chaud
Front chaud
L’influence de la pression atmosphérique
La pression de l’air correspond au poids de l’atmosphère au-dessus du lieu où elle est mesurée.
Plus on s’élève dans l’atmosphère, plus la pression diminue. Si ce mouvement vertical s’effectue sans échange d’énergie, la température diminue d’environ 9,8 °C par kilomètre. De plus, si la quantité de vapeur d’eau ne change pas durant ce mouvement ascendant, l’air finira par atteindre son degré de saturation à une certaine altitude.
Le soulèvement de l’air
Le refroidissement par soulèvement de l’air est à l’origine de la formation des nuages.
Il existe plusieurs mécanismes de soulèvement de l’air.
• Air réchauffé par la base par une surface plus chaude que les autres surfaces environnantes Ce mécanisme peut être associé à la présence d’une étendue d’eau plus chaude ou au réchauffement d’une surface qui capte plus d’énergie solaire. Si des nuages se forment, ils seront de faible étendue horizontale (de quelques kilomètres) de type cumulus. Leur épaisseur variera selon l’état de l’atmosphère.
• Soulèvement de l’air par des systèmes météorologiques à grande échelle
À proximité des dépressions, il se produit généralement un soulèvement à grande échelle pouvant générer des nuages d’une très grande étendue horizontale (sur des centaines de kilomètres). L’air est également soulevé par la présence de surfaces frontales.
• Soulèvement orographique
Lorsque l’air atteint des régions montagneuses, une partie de la masse d’air contourne les obstacles, tandis qu’une autre partie est soulevée. Ce soulèvement forcé peut également favoriser la saturation de l’atmosphère. Par opposition, l’air qui descend les pentes montagneuses subira un assèchement suite à l’augmentation de la pression due à la baisse d’altitude.
Les noyaux de condensation
Lorsque l’air devient saturé à une hauteur d’un ou de deux kilomètres dans l’atmosphère, il est trop loin des surfaces d’eau au niveau de la surface terrestre pour être en équilibre avec celles-ci. Dans une atmosphère absolument pure, il faudrait atteindre des valeurs d’humidité relative de l’ordre de 800 % avant de constater la formation spontanée de gouttelettes d’eau5. Les fines particules en suspension dans l’atmosphère favorisent la condensation d’une partie de la vapeur d’eau à leur surface : ce sont les noyaux de condensation. Certains sont hygroscopiques et absorbent la vapeur d’eau avant même que la saturation ne soit atteinte, d’autres sont non hygroscopiques et nécessitent une certaine sursaturation avant qu’il y ait condensation de la vapeur d’eau.
Les noyaux glaçogènes
Lorsque les températures sont inférieures au point de congélation, une autre classe de particules peut agir pour sublimer la vapeur d’eau et la faire passer à l’état de glace ou de gouttelettes
5. B.J. MASSON, Clouds, Rain and Rainmaking, Cambridge University Press, 1962, 145 p.
beaucoup plus rares dans l’atmosphère que les noyaux de condensation, et qui agissent plus efficacement lorsque la température des nuages est inférieure à –5 °C. Sans la présence de noyaux glaçogènes, la vapeur d’eau se condenserait en gouttelettes d’eau jusqu’à des températures aussi froides que –40 °C6.
La forme et la grosseur des cristaux de neige formés dépendent de la température de l’atmosphère.
La présence de gouttelettes d’eau surgelées
Des expériences effectuées à la fin des années 30 et durant les années 40 ont été faites afin de déterminer la température à laquelle l’eau pure gèle. Elles ont montré que le gel spontané de l’eau pure se produit souvent à des températures de –10 °C à –15 °C.
La présence d’impuretés dans l’eau favorise l’amorce du gel et l’agitation violente ou l’éclaboussement augmente la température à laquelle l’eau gèle spontanément.
La température à laquelle une gouttelette d’eau gèle dépend de son diamètre, si celui-ci est inférieur à 0,5 mm. Plus elle est grosse, plus son point de congélation se rapproche de 0 °C. Les plus petites gouttelettes peuvent rester surgelées à des températures inférieures à –20 °C et même à des températures aussi basses que –40 °C7. Le comportement thermique des gouttes d’un diamètre supérieur à 0,5 mm ne semble pas dépendre de leur diamètre.
La température de 0 °C constitue le point de fusion de l’eau et non pas son point de gel.
La croissance des gouttelettes
Lorsque les gouttelettes d’eau se forment sur les noyaux de condensation, elles sont généralement très petites et restent en suspension dans l’air, leur vitesse de chute étant très faible. Pour tomber au sol, elles doivent croître et devenir des gouttes de pluie suffisamment grosses. Deux mécanismes agissent pour permettre cette croissance : la condensation additionnelle de vapeur d’eau et la collision avec d’autres gouttelettes.
La croissance des cristaux de neige
Les cristaux de neige formés sur les noyaux glaçogènes sont initialement relativement petits et restent en suspension dans l’air à cause de leur faible masse. Ils continuent de croître par la diffusion de vapeur d’eau et par condensation à leur surface.
Lorsque la température du nuage est inférieure à 0 °C, il y a opposition entre la formation de gouttelettes d’eau et de cristaux de neige. Lorsqu’elle est plus froide que –10 °C, plusieurs noyaux glaçogènes sont actifs et la vapeur d’eau est plus sursaturée par rapport à la glace que par rapport à l’eau liquide, par un écart d’environ 10 %, ce qui tend à favoriser la croissance des cristaux de glace. Ceux-ci ont également tendance à s’agglomérer ensemble, suite à leur collision, pour former des flocons de neige.
Livre 1 Les phénomènes atmosphériques 11
6. Ibid.
7. I. BENNETT, Glaze. Its meteorology and climatology, Geographical distribution and economic effects, Headquarters, Quartermaster Research of Engineering Command, US Army, Natick, Mass., 1959, 218 p.
La précipitation au sol
Au Québec, les précipitations se produisent généralement en suivant le mécanisme suivant8.
• Les cristaux de neige se forment dans les sections supérieures des nuages où la température est favorable à leur croissance.
• Ils tombent en s’agglomérant en flocons et fondent s’ils rencontrent une zone de température supérieure à 0 °C.
• S’ils se trouvent encore dans le nuage, les flocons fondus croissent rapidement en entrant en collision avec les gouttes d’eau du nuage.
• Lorsque les gouttes d’eau sont suffisamment grosses, elles atteignent des vitesses suffisantes pour descendre rapidement dans l’atmosphère.
• Lorsqu’elles sortent de la base des nuages, elles tombent dans une région sous-saturée et elles s’évaporent graduellement.
• Si elles atteignent des vitesses de chute suffisamment élevées, elles parviennent jusqu’au sol et il pleut.
• Si elles s’évaporent avant d’atteindre le sol, elles forment du « virga ».