C'est le phénomène météorologique le plus impressionnant. Il nous fascine par son souffle (le vent ), par sa force (la foudre), par sa beauté (les éclairs) et par son intensité sonore (le tonnerre)..

Qu'est-ce qu'un orage en général ?

L'orage est un phénomène météorologique très complexe accompagné de vent soufflant en tempête (60 kilomètres par heure minimum), de décharges électriques dans l'atmosphère (la foudre), d'une jolie lueur de forte intensité mais brève ( l'éclair ) , d'une très grosse déflagration sonore (le tonnerre) et, en règle générale, de précipitations sous forme de pluie, de grêle ou même de neige .

De plus, on sait que l'orage se déclenche toujours par l'intermédiaire d'énormes nuages (ce sont d'ailleurs les plus gros nuages existants dans l'atmosphère) appelé Cumulonimbus.

Comment se forme un Cumulonimbus ?
Dans les régions tempérées, il n'existe que deux possibilités qui favorisent la formation des Cumulonimbus .

Influence d'un front froid (lorsque de l'air chaud et humide et soulevé par de l'air froid )

Représentons sur un schéma les différentes étapes de la formation de ce type d'orage.

Étape 1: la rencontre entre l'air chaud humide et l'air chaud et sec avec de l'air beaucoup plus froid.

C'est la formation typique d'un orage : de l'air chaud et humide se forme grâce au sol terrestre qui réchauffe l'air et entraîne la condensation de l'eau . Le tout entraîne la formation des puissants nuages convectifs ( Cumulonimbus ) parce que de fortes turbulences règnent alors à l'intérieur de ces nuages . Mais comme il existe de l'air chaud et sec ( l'air chaud n'est pas tout le temps humide ), la jonction entre l'air chaud et humide et l'air chaud et sec donne lieu à une zone d'instabilité . malheureusement, ces deux zones d'air sont séparées par ce qu'on appelle la ligne sèche ( sinon on aurait eu une perturbation classique et assez peu active ) . 

Étape 2 : le soulèvement de l'air chaud et humide par l'air froid
L'air froid prend alors la place de l'air chaud, ( d'ou cette sensation de froid juste avant l'orage ). Ils débutent alors des mouvements de convection verticaux qui entraînent la formation de courants violents.

Le vent commence alors à souffler de plus en plus fort et des averses de pluie ( ce qui est du à la présence d'un front venteux : ligne qui sépare la partie froide et humide et la partie chaude et humide d'un orage ), de grêle ou de neige commencent à se produire . On sait qu'un orage va se terminer lorsqu'il y a une trouée de ciel bleu dans un Cumulonimbus ( signe que de l'air sec va arriver ) ou lorsque le vent s'essouffle ( ce qui est dû à la disparition de l'air froid qui alimentait les convections et donc entraînait de fortes rafales de vent ).

Cependant il existe un deuxième type de formation d'orage qui a lieu très souvent pendant la période estivale : le rayonnement .

Réchauffement du sol ( terrestre ou maritime ) par les rayons du soleil

Lorsque les rayons du soleil pénètrent dans l'eau : l'eau est réchauffé, si bien qu'il finit par se former de la vapeur d'eau ( évaporation ).

Cette vapeur est très légère au point de vue de la masse et se laisse donc entraînée vers le ciel avec l'aide d'un air extrêmement humide .

Au bout d'un certain temps, la vapeur d'eau va rencontrer de l'air beaucoup plus froid : il va se passer ce qu'on appelle la condensation .

La vapeur d'eau va passer alors de l'état gazeux à l'état liquide et ce jusqu'à la formation d'énormes nuages tels que les Cumulonimbus qui vont donner lieu aux précipitions .

Les précipitations ne pourront tomber que si l'humidité aura été en grande partie absorbée par les Cumulonimbus, d'ou l'air sec que l'on ressent avant le début de l'orage .

Sinon, on assistera peut-être à des décharges électriques qui sont dues à la collision de particules d'eau solides et liquides dont nous allons détailler le mécanisme par la suite : on appelle alors l'orage un orage de chaleur .

La grande différence entre ce type d'orage et l'influence d'un air froid se situe au niveau de la composition des nuages dans le ciel : en effet, les nuages dus à l'influence d'un air froid sont disposés en ligne formant presque un seul et unique nuage, alors que les nuages issus d'un réchauffement du sol ont plutôt tendance à être isolés les uns des autres ( c'est pour cela que l'on peut avoir plusieurs orages dans la même journée : ce qui est le cas dans les régions tropicales ).

Les différents éléments d'un orage
La foudre
Un orage n'est beau que s'il y a des décharges électriques tels que la foudre .

La foudre n'est due qu'au frottement entre une particule d'eau à l'état liquide et une particule d'eau à l'état solide ( particule de glace ). Nous comprenons mieux dans le schéma suivant la formation de la foudre.

On voit très bien que la foudre ne peut surgir que si les charges électriques sont radicalement opposées . On ajoute entre les charges négatives et les charges positives l'énergie dégagée par les mouvements de convection verticaux : on obtient alors une différence de potentiel assez élevée permettant le cheminement de l'électricité .

Toutefois, aujourd'hui, on hésite quant à la répartition des charges négatives et des charges positives.

Il existe trois types de foudre :
-la foudre entre deux nuages.
-la foudre entre le nuage et le sol : dans ce cas, le sol chargé de signe contraire avant l'impact voit ses charges électriques changer de signes.
-la foudre à l'intérieur du nuage.

Quel que soit le type de foudre, la foudre peut culminer sous une différence de potentiel de 100 Millions de volts et 100 000 ampères et atteint de préférence les objets élevés ( parce que la foudre choisit le chemin le plus court ) tels que les arbres, les églises, les montagnes ... et les objets pointus ( parce que ce sont les meilleurs conducteurs d'électricité ) .

L'éclair est une lumière très vive qui compose la foudre . C'est donc une étincelle qui provient d'un cumulo-nimbus et qui peut se diriger soit vers un autre nuage, soit à l'intérieur de ce même nuage, soit le plus souvent vers la Terre : en fait, l'éclair traduit toutes les propriétés de la foudre .

 

L'éclair

Cependant, lorsqu'on observe l'orage, nous avons l'impression qu'un seul éclair jaillit du cumulonimbus : en fait, comme la vitesse de l'éclair est très grande ( entre 40 et 50 km par secondes ), il est impossible ( ou presque de voir à l' oeil nu tous les "petits éclairs" ) d'ou la distinction de trois types d'éclair ( comme la foudre ):
-ceux qui se divisent en plusieurs branches : éclairs ramifiés .
-ceux qui ont une trajectoire légèrement rectiligne : éclairs fulminants .
-ceux qui ne vont pas droit vers leur cible : éclairs sinueux .

On peut donc dire que ces trois types d'éclairs se rapportent aux trois types de foudre .

On distingue aussi un autre éclair assez rare mais qui existe quand même : l'éclair en forme de boule (feu de Saint Elme) . C'est un éclair issu d'un éclair classique qui, contrairement aux autres, ne frappe pas l'objet touché par l'éclair classique : en fait, l'éclair en forme de boule se volatilise dans la nature sans pour autant toucher un autre objet ( c'est un éclair que l'on retrouve dans l'un des albums de "Tintin" ) .

Mais ces foudres et éclairs manifestant beaucoup d'énergie entraînant un bruit sourd : le tonnerre .

NB : il arrive que l'éclair ne soit pas suivi du tonnerre (phénomène de fulguration).

Le tonnerre

Le tonnerre est la manifestation d'un bruit sourd qui intervient plus ou moins longtemps après que la foudre ait frappée ( la vitesse du son étant très inférieure à celle de la lumière : 340m/s contre 300 000 km/s ) : ce bruit sourd est du au réchauffement très rapide de l'air engendré par la foudre ( dont la température dépasse les 30 000 degrés ) : c'est comme si on avait laissé une casserole pendant un certain sur le gaz et qu'on l'avait tout d'un coup mouillé avec de l'eau plus froide .

De plus le tonnerre est très utile pour savoir à quelle distance se trouve le point culminant de l'orage : il existe plusieurs manières pour calculer la distance entre nous et l'orage :

première méthode
soit D la distance séparant de la maison .

On a alors D= ( vitesse du son = 340m/s ) ( intervalle de temps entre l'éclair et le tonnerre ).

( D est exprimée en mètres ).

deuxième méthode ( peu fiable )
d est la distance parcourue par l'éclair entre le cumulonimbus et le sol terrestre .

D = dcos90 =3 ( vitesse du son =340m/s ) ( temps mis par l'éclair pour atteindre le sol )

( D est là aussi exprimée en mètres ) .

Il ne suffit pas forcément de calculer la distance entre un orage et le lieu ou on est pour échapper aux nombreuses décharges électriques . Et pour preuve, voici quelques records. 

La rafale descendante ( down burst )

Courant descendant allant sur le sol ou près du sol, ce qui provoquer le plus souvent des rafales de vent dévastatrices .

Ces courants descendants, s'ils ont une intensité forte, ont la possibilité de s'écouler horizontalement au niveau du sol . L'air l'accompagnant étant très dense c'est de l'air froid qui s'infiltre au niveau du sol et s'enroule autour de l'air chaud .

Les courants descendants sont presque systématiquement des courants froids .

Il existe deux types de rafales descendantes : les macrorafales ( "macroburst" en anglais ) et les microrafales ( "microburst" en anglais ) .

Les macrorafales s'étendent horizontalement sur au moins 5 km avec une intensité atteignant parfois les 200 km / h et durant en général pas plus de 30 minutes ( parfois quelques minutes ) .

Les microrafales s'étendent horizontalement sur moins de 5 km avec une intensité atteignant parfois les 280 km / h et durant en général moins de 10 minutes . Les microrafales ne sont pas détectés suffisamment bien par la technologie d'aujourd'hui pour effectuer un suivi particulier du fait de leur forte concentration dans le temps et dans l'espace .

Des "burst swath" peuvent sévir sur une étendue inférieure à 400 m au sein des microrafales avec une intensité plus forte .

 

Le front de rafale ( gust front )
C'est en fait le bord antérieur du courant froid laissant croire à un front froid qui est à l'origine de ce phénomène . Il a en moyenne une épaisseur de 800m mais fraîchissant jusqu'à 1 km lors de super cellules .

Repérable grâce à un nuage en forme de bourrelet ( arcus ) sous la base avant du Cumulonimbus, il est le siège de rotation des vents à 180° ( rencontre air chaud-air froid ) .

D'importants gradients horizontaux de pression et de gradients verticaux de pression font que le vent souffle en rafales avec une intensité parfois supérieure à 100 km / h.

Quelques records

Nombre de jours d'orage par an :

En France : ?

Dans le monde : 322 jours par an à Djakarta ( Indonésie ; Océanie )

Attitudes à adopter lorsque nous subissons un orage

Ce qu'il ne faut surtout pas faire

A l'intérieur 

-Allumer ou laisser allumer tout objet raccordé à une prise électrique ( télévision, téléphone, lampes, etc... ) : si la foudre tombe sur une ligne à haute tension, même à des kilomètres des habitations, elle peut endommager l'objet voire le détruire.
-Ne pas répondre au téléphone fixe même si c'est un appel important : pour les mêmes raisons.

A l'extérieur
-Il ne faut surtout pas courir : le corps dégage alors de l'énergie qui facilite le trajet de la foudre vers le sol.

-Le plus classique : s'abriter sous un arbre à cause de sa hauteur et parce que le bois est un très mauvais conducteur d'électricité. La majorité des électrons issus de la foudre sont alors bloqués au sein de l'arbre, créant une énergie au sein de l'arbre ; l'arbre finit par "exploser" . Comme le corps humain est un excellent conducteur, pour arriver sur la Terre, la foudre "se jette" sur notre corps ; résultat : c'est la mort quasi assurée ; "quasi" car certaines personnes parviennent à survivre selon le rythme cardiaque que vous avez au moment du contact avec la foudre et pour d'autres raisons ( type de métaux des objets que vous portez, etc... ) .

-Se planquer dans un fossé : le seul humide y est le meilleur conducteur.

-Se coucher près des installations électriques telles que les clôtures électriques : si la foudre tombe, c'est la mort certaine.

-S'abriter sous toutes les habitations non protégées par un paratonnerre.

Ce qu'il faut faire

A l'intérieur
-Débrancher tous les appareils dont vous tenez à cœur.
 

A l'extérieur
-Dans un endroit isolé et découvert : ramper même si le sol est humide et boueux.

-Si vous êtes plusieurs, séparez-vous les uns des autres d'au moins 5 mètres : si l'un de vous est touché par la foudre, les autres ne le seront pas.

-Restez dans la voiture : la foudre glisse le long des parois de la voiture ( appelée "cage de Faraday" ) sans pénétrer à l'intérieur .

-Se débarrasser de tout objet conducteur : boucles d'oreille, parapluie, ceinture,...

-Marcher en faisant des pas inférieurs à 2 centimètres : le risque d'être foudroyé est alors divisé par 2 à cause d'une différence de potentiel 2 fois moins importantes .

-Si vous ne trouvez vraiment pas d'abris, agenouillez vous avec les genoux collés l'un à l'autre ainsi que les pieds et le tout protégés par un imperméable. 

Malgré toutes ces informations apportées ci-dessus, l'orage nous cache encore des surprises. Ce phénomène météorologique ravage des installations électriques ( lignes à hautes tensions ), et téléphoniques ( lignes téléphoniques ). Le problème sera de savoir si un jour on pourra recueillir l'énergie dégagée par les orages.

Pourrons-nous aussi prévoir les orages à longues échéances ? ( une semaine avant au lieu d'une heure aujourd'hui !!!!).

Les orages en ville

En milieu urbain, les tempêtes et les orages violents y deviennent encore plus violents ! En effet, la hauteur des immeubles provoque de nombreuses turbulences favorisant l'élévation de la masse d'air humide qui finit par se condenser.

La présence des aérosols amplifie le phénomène en attirant les molécules d'eau les plus grosses : des précipitations diluviennes tombent entraînant un très fort ruissellement et donc de nombreux dégâts et parfois malheureusement des victimes !

La prévision technique des orages

Considérons le profil vertical suivant :

Tr est très basse quand T augmente avec l'altitude ; il y a une forte inversion entre 830 hPa et 810 hPa : les mouvements verticaux sont inhibés : stabilité de la masse d'air.

La masse d'air est légèrement stable entre 650 hPa et 400 hPa.

Dans ce cas précis, pas d'instabilité à prévoir.
 

La température prévue est de 27°C en fin de journée :

  

La courbe de température est plus penchée que la courbe de température potentielle : instabilité près de la surface.

La saturation a lieu à l'intersection entre la courbe de rapport de mélange saturant et la courbe de température : la saturation a lieu à 820 hPa ~ 1700m ; la base du nuage est donc à l'altitude 820 hPa.

Le niveau de convection libre se produit à 820 hPa aussi ce qui fait que l'énergie cinétique acquise par la parcelle d'air est proportionnelle à la présence d'air situé au sommet du nuage (situé ici à 300 hPa ~9km).

Un orage peut donc se déclencher dans ces conditions (bonne prévision de la température entre autres).

Vidéo d'un orage à Saint Eynard ( Montagne dans les Alpes ) réalisée par Guilhem Martin