Les processus de formation et croissance des hydrom´ e- e-t´eorese-t´eores

De nombreux processus sont responsables de la formation et de la croissance des hy-drom´et´eores. Ces processus conduisent `a la formation de nombreux types d’hydrom´et´eores diff´erents, en fonction de la temp´erature et de la saturation notamment. Le diagramme Temp´erature-Saturation (cf figure 1.3) illustre la diversit´e des cristaux form´es en fonction de la temp´erature et de la saturation en humidit´e de l’air. Pour repr´esenter cette diversit´e des cristaux dans un mod`ele, il faut repr´esenter les diff´erentes conditions de formation des hydrom´et´eores glac´es. C’est une description physique du type des hydrom´et´eores qui est donn´ee ici, les relations statistiques masse-diam`etre et vitesse-diam`etre associ´ees ´etant d´evelopp´ees dans l’annexe A.

Fig. 1.3 – Diagramme Temp´erature-Sursaturation de r´epartition des cristaux de glace¹

Les m´ecanismes de formation et de croissance des pr´ecipitations ont ´et´e largement ´etudi´es et d´ecrits en d´etails dans des ouvrages de synth`ese : Mason (1971), Rogers (1979)

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et Pruppacher et Klett (1997). Nous pr´esentons ici un aper¸cu des principaux processus microphysiques agissant au sein des lignes de grains.

Fig. 1.4 – R´epartition des processus en fonction du profil vertical de r´eflectivit´e dans la partie stratiforme (Leary et Houze, 1979b)

La figure 1.4 illustre de fa¸con sch´ematique la r´epartition verticale des processus dans la partie stratiforme. Cette r´epartition en altitude des processus est li´ee au profil vertical de temp´erature. Ainsi on retrouvera les processus en phase glace au dessus de l’isotherme 0◦

C comme le d´epˆot de vapeur et l’agr´egation par collision des cristaux de glace. Les processus de fonte au dessous de 0◦

C, et les processus en phase liquide en dessous de l’isotherme 0◦

C comme l’accr´etion du nuage liquide et l’´evaporation.

La figure 1.5 pr´esente la r´epartition des diff´erents processus en fonction de la zone convective ou stratiforme au sein d’un nuage. De fa¸con sch´ematique, les processus de formation des gouttelettes et des cristaux de glace sont associ´es `a l’ascendance convective. Bien entendu la dynamique ´etant plus complexe qu’une simple ascendance, les particules peuvent r´ealiser plusieurs cycles de croissance avant de chuter.

1.1. La dynamique et la microphysique des lignes de grains

Fig.1.5 – Sch´ema de r´epartition des diff´erents processus en fonction de la zone convective ou stratiforme au sein de la ligne de grains. Adapt´e de Houze (1989)

Partie convective

Quand l’air est satur´e en dessous de l’isotherme 0◦

C, la vapeur d’eau se condense (1) autour d’a´erosols qui s’appellent des noyaux de condensation. Les gouttelettes de nuages sont de petite taille (g´en´eralement inf´erieure `a 100 µm) et ont une vitesse de chute nulle ou tr`es faible, contrairement `a la pluie qui chute de mani`ere significative (1, 5m.s−1 < vt < 5m.s−1).

Les particules liquides continuent de monter tant qu’elles restent dans l’ascendance. C’est ainsi qu’aux temp´eratures n´egatives et dans les zones d’ascendance, on peut trouver de l’eau liquide en ´etat surfondu, l’eau surfondue pouvant se retrouver jusqu’`a des tem-p´eratures de l’ordre de −40◦

C. L’eau surfondue peu congeler et former des cristaux de glace (2).

Si l’air est satur´e et que la temp´erature est n´egative, la condensation de la vapeur d’eau sur des noyaux gla¸cog`enes peut former directement des petits cristaux de glace. Ces noyaux gla¸cog`enes de condensation peuvent ˆetre des poussi`eres, des a´erosols . . . . . Une fois les cristaux de glace initi´es, ils peuvent croˆıtre par d´epˆot de vapeur (3) si l’air est satur´e. Sinon il y a sublimation des cristaux de glace. La croissance des cristaux par

d´epˆot de vapeur ne conduit qu’`a des particules de petite taille. Ces particules auront donc une faible vitesse de chute et seront de ce fait faiblement pr´ecipitantes. Ces cristaux peuvent s’ agr´eger entre eux pour former des cristaux de taille plus importante. En effet, la collision de deux cristaux de glace donne par agr´egation un seul cristal plus volumineux. Les cristaux croissent donc par d´epˆot de vapeur et agr´egation et finissent par atteindre une masse suffisante pour chuter. La taille des cristaux va directement d´ependre de leur temps de r´esidence dans l’atmosph`ere.

Les cristaux continuent de croˆıtre en chutant, mais il peuvent aussi s’accr´eter avec des gouttelettes d’eau surfondue et givrer (4). La collision de cristaux de glace avec des gouttelettes d’eau surfondue va former de la grˆele et des graupels. Les deux types de particules sont physiquement proches l’un de l’autre, mais les graupels sont moins givr´es et moins denses que la grˆele.

La grˆele est form´ee au sein des lignes de grains dans les forts courants ascendants. Elle prend la forme de billes de glace (les grˆelons ) dont le diam`etre peut varier de quelques millim`etres `a une dizaine de centim`etres. Les grˆelons croissent par givrage, c’est `a dire lorsque l’eau surfondue rencontre des particules en phase glace et g`ele autour de la parti-cule de glace. L’eau g`ele en couche successives comme on peut le voir sur la figure 1.6(a). Aux temp´eratures n´egatives, le taux de croissance est particuli`erement important autour de −13◦

C. La croissance des grˆelons continue jusqu’`a ce qu’ils soient trop lourds pour ˆetre maintenus en suspension par les courants ascendants. La grˆele se trouve donc dans les zones o`u l’ascendance est assez forte.

Le diam`etre des grˆelons est sup´erieur `a 5 mm. Les grˆelons peuvent ˆetre consid´er´es comme sph´eriques si leur diam`etre reste inf´erieur `a 10 mm (Straka, 2009). Leur densit´e varie alors entre 0,4 et 0,9 g.cm−3 (Straka, 2009). Pour des diam`etres sup´erieurs `a 10 mm, cette mˆeme densit´e varie plutˆot entre 0,7 et 0,9 g.cm−3 (Straka, 2009). La vitesse de chute quand `a elle varie de 10 `a 40 m.s−1 (Lin et al., 1983). 40 m.s−1 est une valeur extrˆeme pour des grˆelons de 10 cm de diam`etre. D’apr`es Straka (2009), la distribution en taille de la grˆele est g´en´eralement bien repr´esent´ee par des exponentielles n´egatives (Marshall et Palmer, 1948), ou des distributions suivant une moi gamma (Ulbrich et Atlas, 1982; Ziegler et al., 1983).

1.1. La dynamique et la microphysique des lignes de grains

(a) Grˆelons (b) Graupel (c) Graupel

Fig. 1.6 – Images2 obtenues par microscope ´electronique de diff´erents cristaux givr´es a) Coupe de grˆelons b) graupel c) photographie d’un graupel3.

Les graupels ou “neige roul´ee” sont form´es quand des cristaux de neige fondent en approchant l’isotherme 0◦

C et sont r´e-inject´es dans l’ascendance, ils recong`elent donc `a nouveau. Les cristaux pouvant effectuer plusieurs cycles de fonte-cong´elation. Suivant le nombre de cycles effectu´es, les graupels sont plus (cf figure 1.6(b)) ou moins (cf figure 4.3.4) givr´es. Mais l’appellation graupels regroupe aussi les cristaux de neige qui captent des gouttelettes d’eau surfondue qui cong`elent instantan´ement, particuli`erement lorsque est l’air est satur´e dans les fortes ascendances.

Les graupels dont la dimension varie entre 0,5 mm et 5 mm (Straka, 2009) apparaissent lorsque la temp´erature avoisine 0◦

C. La densit´e des graupels varie entre 0,1 et 0,9 g.cm−3

(Straka, 2009). Les graupels sont moins denses que les grˆelons. Straka (2009) pr´ecise que la distribution en taille des graupels est g´en´eralement bien repr´esent´ee par des exponentielles n´egatives (Marshall et Palmer, 1948), ou des distributions gamma.

Du point de vue des relations masse-diam`etre ou vitesse-diam`etre, les graupels sont des particules interm´ediaires entre la neige et la grˆele. Comme nous le verrons dans la suite de cette ´etude, les graupels se retrouvent principalement dans la phase glace des colonnes convectives.

Aux temp´eratures n´egatives, si l’air est satur´e par rapport `a la glace et pas par rapport `a l’eau, les gouttelettes liquides vont s’´evaporer et donc lib´erer de la vapeur d’eau. Cette

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vapeur d’eau va pouvoir se d´eposer sur les cristaux de glace . C’est “l’effet Bergeron“. Ce processus, lorsqu’il est activ´e, va faire croˆıtre la taille des cristaux de glace au d´etriment des gouttelettes d’eau.

En dessous de l’isotherme 0◦

C, les cristaux de glace (nuageux ou pr´ecipitants) fondent. Les cristaux nuageux fondent (6) en gouttelettes nuageuses et les cristaux pr´ecipitants en pluie.

Les cristaux pr´ecipitants, en train de fondre ou fondus, peuvent ˆetre entraˆın´es par l’ascendance et recongeler (2). Ils peuvent aussi `a nouveau givrer (4) en chutant. Ces cycles dans la colonne convective vont former des particules de plus en plus givr´es et denses.

Les gouttes de pluies sont form´ees par la fonte de la glace pr´ecipitante (6) mais aussi par autoconversion du nuage liquide. Les gouttes de pluies peuvent ensuite grossir par accr´etion avec les gouttelettes nuageuses (7). Enfin, si l’air est sous-satur´e par rapport `a l’eau liquide, il y a ´evaporation (8) des gouttes de pluies.

La pluie est l’hydrom´et´eore le plus important, parce que c’est la pluie qui est en in-teraction directe avec l’homme, ses cultures et son b´etail. Le taux de pluie au sol est aussi un param`etre facile `a mesurer. La pluie est donc le param`etre important `a restituer correctement.

La pluie est constitu´ee de gouttes d’eau pr´ecipitantes. Ces gouttes d’eau proviennent de la croissance par diff´erents processus des gouttelettes de nuage liquide form´ees par la condensation de la vapeur d’eau autour de noyaux de condensation. Si on peut consid´erer les gouttes d’eau comme sph´eriques en premi`ere approximation, la nature exacte des gouttes de pluie d´epend de leur taille. D’apr`es Pruppacher et Klett (1997), les gouttes sont proches de la sph`ere parfaite si leur diam`etre est inf´erieur `a 280 µm. Si le diam`etre des gouttes et compris entre 280 et 1000 µm, les gouttes sont des ellipso¨ıdes aplatis. Si les gouttes ont un diam`etre sup´erieur `a 1000 µm les gouttes sont des ellipso¨ıdes aplatis avec une base plate voire convexe. Enfin si les gouttes ont un diam`etre sup´erieur `a 10 mm, elles sont hydro-dynamiquement instables et ´eclatent en gouttes plus petites.

1.1. La dynamique et la microphysique des lignes de grains

grains et sont en g´en´eral associ´ees `a des taux de pr´ecipitation sup´erieurs `a 50 mm.hr−1

(Pruppacher et Klett, 1997).

Partie stratiforme

Les gouttelettes et les cristaux sont form´es principalement dans la colonne convective, mais la circulation dans la ligne de grains transporte les cristaux les plus l´egers de la partie convective `a la partie stratiforme. Ces cristaux primaires form´es dans la partie convective vont croˆıtre par accr´etion avec le nuage glace ou par d´epˆot de vapeur (5’). Ces cristaux vont continuer `a croˆıtre et vont chuter d`es que leur masse sera suffisante. En chutant ils peuvent s’accr´eter entre eux (3’). Mais contrairement `a la colonne convective, les ascendances de la partie stratiforme sont faibles, les cristaux ne vont donc pas subir des cycles de fonte, cong´elation et givrage. Les cristaux form´es dans la partie stratiforme sont donc principalement des cristaux de neige. Mais selon les conditions de temp´erature et d’humidit´e, les cristaux de glace form´es peuvent avoir une densit´e et une forme tr`es diff´erente, allant de cristaux denses et sph´eriques, comme les graupels, `a des cristaux peu denses et allong´es, comme les colonnes (cf figure A.1).

Contrairement `a la grˆele qui se forme dans les zones de forte ascendance, la neige se forme dans la partie stratiforme `a faibles mouvements ascendants.

La forme des cristaux varie en fonction de la temp´erature, mais aussi de la saturation de l’air, ainsi on trouve de mani`ere pr´ef´erentielle (Straka, 2009) :

– de 0◦

C `a −4◦

C, de minces plaquettes hexagonales ; – puis de −4◦

C `a −6◦

C, des aiguilles ; – de −6◦

C `a −10◦

C, des colonnes creuses ; – de −10◦

C `a −12◦

C, des cristaux `a six pointes longues ; – de −12◦ C `a −16◦ C, des dendrites ; – de −16◦ C `a −22◦ C, des plaquettes ; – de −22◦ C `a −70◦

C, un m´elange de colonnes et de plaquettes.

Comme pour la pluie, la taille des cristaux varie beaucoup, typiquement jusqu’`a 5 mm (Locatelli et Hobbs, 1974), et celle des dendrites varie entre 0 et 10 mm. La masse des cristaux est, quant `a elle, comprise entre 0,01 mg et 10 mg. La densit´e de la neige varie

entre 0,005 et 0,5 g.cm−3 (Pruppacher et Klett, 1997) avec une valeur fr´equente comprise entre 0,01 et 0,2 g.cm−3. La vitesse de chute varie de 0,5 `a 3 m.s−1. Les cristaux de glace chutent moins vite que la pluie.

La figure 1.7 illustre la vari´et´e de forme des cristaux de neige.

(a) Colonne (b) Plaquette hexagonale givr´ee

(c) Dendrite hexagonale. (d) Cristal hexagonal `a large branche

Fig. 1.7 – Images obtenues par microscope ´electronique de diff´erents cristaux de neige 4

Contrairement `a la pluie qui peut directement ˆetre mesur´ee au sol, les hydrom´et´eores glac´es se retrouvent en altitude dans les lignes de grains, ce qui rend leur ´etude difficile. Cependant ils n’en sont pas moins importants, surtout dans la partie stratiforme des lignes de grains puisqu’ils sont `a l’origine par leur fonte de la plus grande partie des pluies au sol.

En dessous de l’isotherme 0◦

C, les cristaux de glace vont fondre (6’) Les gouttes de 4

1.1. La dynamique et la microphysique des lignes de grains

pluies sont donc form´ees par la fonte de la glace pr´ecipitante (6’). Les gouttes de pluies peuvent ensuite grossir par accr´etion avec les gouttelettes nuageuses (7’). La collision de deux gouttelettes liquides forme une gouttelette de taille plus importante. Enfin, si l’air est sous-satur´e par rapport `a l’eau liquide, il y a ´evaporation (8’) des gouttes de pluie.

Les processus diabatiques sont responsables d’´echanges de chaleur qui peuvent modifier sensiblement la temp´erature de l’air. Les processus impliquant un changement de phase sont le givrage, la fonte, la condensation, la sublimation et l’´evaporation. Nous reparlerons de ces processus responsables des ´echanges de chaleur dans les chapitres 3 et 4.