1.1.1. Formation
1.1.1.1. Comment se forment les nuages ?
L'air chaud contient de la vapeur d'eau. Comme il est plus léger que l'air froid il s'élève en altitude. Du même coup, sa pression diminue et il se refroidit. Ce refroidissement provoque la condensation de la vapeur d'eau en fines gouttelettes minuscules autour de fines particules de poussière (sels, embruns, etc…) Ces gouttelettes s'agglomèrent ensuite entre elles... et grossissent. Il faut environ un million de ces gouttelettes minuscules pour fabriquer une goutte de pluie. La taille et la forme d'un nuage dépendent de la force et du degré d'humidité du courant ascendant (ou courant thermique). Ce sont eux qui donnent naissance aux nuages de "convection". Par exemple, un courant ascendant suffisamment humide qui atteint 8 km d'altitude donne naissance à un cumulus.
1.1.1.2. Formation des précipitations
A l’origine de la formation d’une goutte de pluie, la présence de microparticules en suspension dans l’air est nécessaire pour créer un noyau de condensation (Triplet et Roche, 1986). Les précipitations se forment autour de noyaux de condensation qui permettent d'amorcer la réaction de coalescence. Dans les basses couches de l'atmosphère ces noyaux sont constitués d’impuretés solides d’origine naturelle (poussières terrigènes microscopiques, de grains de sable, pollen, cristaux de sels marins), ou anthropique (process industriels, trafic routier, chauffage,…), de scories. Dans la zone de givrage, il s'agit de petits morceaux de glace et en haute altitude ces noyaux de condensation peuvent être constitués de molécules organiques voire même de microbes. En effet depuis 1989 on a découvert que des milliards de micro-organismes, bactéries et champignons, peuplaient également la haute atmosphère jusqu'à 60 Km d'altitude et migraient au gré des vents d'un continent à l'autre.
Tous ces éléments jouent le rôle de support à l’eau liquide ou à la glace et participent à la formation des nuages et le cas échéant à leur précipitation.
1.1.1.3. Grossissement des gouttelettes
Les gouttelettes élémentaires formées par condensation ont de très faibles dimensions. Les processus de grossissement des gouttelettes qui constituent le milieu nuageux sont très complexes et assez mal connus. Toutefois, les processus les plus importants font appel à la théorie de Bergeron ainsi qu'au phénomène de coalescence.
1.1.1.3.1. Théorie de Bergeron
La théorie de Bergeron propose un mécanisme vraisemblable de croissance des gouttelettes aboutissant à la formation des précipitations. A température égale, la tension de vapeur saturante de l'eau surfondue est supérieure à celle de la glace. De ce fait si, dans un nuage, des gouttelettes d'eau surfondues se trouvent en présence de cristaux de glace à même température, les cristaux de glace se nourrissent aux dépens des gouttelettes d'eau, tombent en absorbant de nouvelles gouttelettes et fondent généralement avant d'atteindre le sol. La croissance d'une gouttelette par ce processus est très rapide au début et devient de plus en plus lente à mesure que le diamètre croît. Le grossissement par condensation de vapeur d'eau proposé par Bergeron rend bien compte de la phase initiale de la croissance d'un cristal, mais il ne permet pas d'interpréter l'ensemble du phénomène. Ce mode de croissance proposé par Bergeron permet de diluer les composés contenus dans les cristaux de glace. Cependant, l’effet Bergeron est un processus assez lent et ne peut expliquer à lui seul la formation rapide des grosses gouttes des nuages de type cumulonimbus. Cet effet explique la constitution des fines gouttes (stratus) de pluie ainsi que la phase initiale de la formation des hydrométéores.
1.1.1.3.2. Phénomène de coalescence
Lorsque le mécanisme de Bergeron intervient, certains éléments privilégiés atteignent une dimension suffisante pour capter au cours de leur chute les gouttes plus petites. En fonction des théories précédentes, la pluie ne peut apparaître que si le nuage contient en même temps des gouttes surfondues et des cristaux de glace; il faut donc que le sommet du nuage soit à température négative. Or, on a pu observer des pluies abondantes issues de nuages (généralement des cumulus) dont le sommet était à température positive. On pense que de très gros noyaux de condensation sont responsables de ces précipitations; ils jouent donc un rôle analogue à celui des cristaux de glace comme agent de déclenchement de la croissance des gouttelettes. La coalescence est dominante dans les nuages à développement vertical (cumulonimbus) où l’on a de plus grosses gouttes de pluie. Par contre, celle ci devient négligeable dans les nuages constitués de fines gouttes (stratus) et comportant peu de turbulences.
Sur la Figure I-1.1, est représenté le mécanisme d’accroissement du diamètre d'une gouttelette élémentaire par les deux processus précités (théorie de Bergeron et coalescence). La courbe pointillée représente la croissance d'une gouttelette si le mécanisme de Bergeron intervient seul. A droite la structure possible du milieu pluvio-nuageux. Ces gouttelettes demeurent en suspension tant que les mouvements ascendants sont suffisants pour les maintenir.
Figure I-1.1 : Mécanisme de grossissement des gouttelettes : théorie de Bergeron et de coalescence.
1.1.2. Les différents types de précipitation
Toute précipitation nécessite la condensation de la vapeur d'eau. Mais lorsque les gouttelettes d'eau des nuages sont assez grosses, elles deviennent trop lourdes pour être supportées dans le nuage; elles se mettent donc à chuter vers la terre. Trois éléments déterminent la forme finale sous laquelle elle se présente: ce sont les courants aériens, la température et l'humidité. Il y a deux types de précipitation:
▫ Précipitation stratiforme : qui couvre une grande étendue, qui dure longtemps mais de faible
intensité, qui se produit dans les zones de basse pression et qui est associée à des nuages de type "stratus".
▫ Précipitation convective : qui couvre des petites surfaces, qui ne dure pas mais qui est intense, qui
est très localisée et produite par l'instabilité convective de l'air, et enfin qui est associée à des nuages de type "cumulus".
Les précipitations peuvent tomber sous trois formes : 1. Précipitation liquide : pluie et bruine,
2. Précipitation verglaçante : pluie verglaçante et bruine verglaçante,