Cumulonimbus


Cumulonimbus
Cumulonimbus
Cumulonimbus06.jpg
Abréviation METAR Cb
Symbole CL 3.pngCalvus
CL 9.pngCapillatus
Classification Famille D (À extension verticale)
Altitude 300 - 17 000 m

Le cumulonimbus, de la famille des cumulus, est le nuage qui présente la plus grande extension verticale. Sa base se situe en général de quelques centaines de mètres à 2 000 mètres du sol. Son sommet dépasse parfois la tropopause; il peut donc culminer à des altitudes allant de 8 000 à 18 000 mètres[1], [2] [3]. En fin d'évolution, sa partie supérieure ressemble à une enclume, et l'on parle alors de cumulonimbus capillatus, par opposition au cumulonimbus calvus (étape de transition entre le cumulus congestus, et le cumulonimbus capillatus). Par extension, l'expression « enclume du Cb » désigne généralement sa partie supérieure qui persiste souvent après la perte d'activité du nuage. Cette enclume devient alors un cirrus spissatus cumulonimbogenitus (cirrus épais né d'un cumulonimbus). Le cumulonimbus est souvent associé à des phénomènes violents comme les tornades, les rafales descendantes et la grêle[4].

Sommaire

Formation

Article détaillé : Orage.
Photo de cumulonimbus

Les cumulonimbus sont des nuages d'origine convective, membres de la classe des cumulus. Il s'agit en fait de cumulus de très forte extension verticale dont la partie supérieure est constituée de cristaux de glace. Leur formation est favorisée par des conditions chaudes et humides près de la surface, mais plus froides et sèches en altitude[4].

Les cumulonimbus dits de masse d'air, typiquement les orages en été de fin d'après-midi et qui sont relativement bénins, se forment suite à la convection causée par le réchauffement solaire de l'air près du sol, en l'absence de forçages dynamiques[4]. La présence de forçages dus à la dynamique atmosphérique peut déstabiliser davantage l'atmosphère, ce qui augmente la probabilité de formation de cumulonimbus et la sévérité des orages qui en résultent. Ces derniers se développent en général à l'approche d'un front froid ou par soulèvement orographique[4]. La plupart des orages violents sont de ce type.

L'apparition de l'enclume est la conséquence de l'étalement du cumulonimbus au niveau de la tropopause (nom donné à la limite entre la troposphère et la stratosphère). Les courants ascendants à l'intérieur du nuage sont stoppés ou ralentis en arrivant dans cette zone de l'atmosphère particulièrement stable, et ils se transforment alors en courants horizontaux[4].

En cas d'orage sévère, la différence entre la température de la masse d'air ascendante et celle de l'air extérieur peut entrainer une propagation du courant ascendant dans la stratosphère, il se forme alors un sommet protubérant appelé en anglais overshooting dome[4].

Les courants ascendants sous un cumulonimbus peuvent être extrêmement laminaires, étendus et réguliers. En effet, l'ascendance sous le nuage peut ne pas être due à la poussée d'Archimède mais être due à un fort différentiel de pression à l'intérieur du cumulonimbus. L'air est alors aspiré à l'intérieur du nuage à l'instar d'un aspirateur. La masse d'air en ascension est alors plus froide que l'air environnant et a une flottabilité négative. Dans ces conditions, les turbulences sont annihilées[5]. En général, les courants ascendants atteignent leur vitesse maximale à environ 6 km du sol. Les orages supercellulaires ou de derechos peuvent avoir des courants ascendants gigantesques à cette altitude dont la vitesse dépasse les 40 m/s (140 km/h). Une telle vitesse pour un courant ascendant correspond à la vitesse du vent d'un petit ouragan. De plus, le diamètre des colonnes ascendantes est compris en général entre 2 km (orage de masse d'air) et 10 km (orage supercellulaire)[6]. L'altitude de la base d'un cumulonimbus est extrêmement variable. Elle peut varier de quelques dizaines de mètres au-dessus du sol à 4000 m ou plus au-dessus du sol. Dans ce cas, soit les ascendances partent à partir du sol si l'air est très sec (cas typique des déserts); ou les ascendances ne proviennent pas du sol dans le cas où des altocumulus castellanus ont dégénéré en cumulonimbus. Dans ce cas, on parle de convection élevée (elevated convection en anglais). Le sommet des cumulonimbus se trouve à des hauteurs très variables. Par temps froid, le sommet des cumulonimbus peut se limiter à 6 km de hauteur. Dans les régions tropicales, la hauteur caractéristique des cumulonimbus est de 15 km[7]. Dans les cas extrêmes, les cumulonimbus peuvent monter à 18 km ou plus[8].

Dangers

Général

C'est ce type de nuage qui donne les orages. En fonction de son développement, il peut être le siège de manifestations électriques comme la foudre, de chutes de grêle, de pluie, de fortes précipitations et dans les cas les plus extrêmes, de tornades. A cela s'ajoute le risque de givrage (présent lorsque la température de l'air extérieur est comprise entre -40 et 0 degrés Celsius) et de forts cisaillements des vents dans le nuage. En général, les courants ascendants et descendants sous un cumulonimbus correspondant à un orage de fin d'après-midi d'été sont modestes (de l'ordre de 5 m/s). Par contre, les orages supercellulaires ou de derechos peuvent avoir des courants ascendants dépassant 40 m/s à l'intérieur du nuage.

Aviation et vol à voile

Même les plus gros avions de ligne détournent leur route afin d'éviter de croiser le chemin d'un cumulonimbus. Ainsi, deux effets dangereux des cumulonimbus ont été avancés pour le crash le vol AF447 qui s'abîma en mer le 31 mai 2009 à 600 km au nord-est du Brésil alors qu'il avait rencontré sur son chemin un système convectif de méso-échelle dans la zone de convergence intertropicale (appelée par les marins le «pot au noir») où les cumulonimbus s'élevaient jusqu'à 15 km d'altitude. En l'absence des boîtes noires, pour le Christian Science Monitor l'avion n'aurait pas pu contourner (ni survoler) ce système dépressif, et aurait rencontré des turbulences ascendantes (jusqu'à 160 km/h) ce qui l'auraient envoyé s'écraser en mer[9]. Toutefois, l'appareil ne s'étant pas désintégré en vol, une autre hypothèse impliquant le gel des sondes Pitot dont l'appareil était équipé a été avancée[10]. Depuis ce temps, d'autres hypothèses ont été émises mais le rapport d'enquête n'est pas encore finalisé et la cause exacte n'est pas encore déterminée[11].

Pour ces raisons, la FAA américaine recommande que les aéronefs, dont les planeurs, ne devraient pas s'approcher à moins de 20 milles (37 km) d'un orage sévère bien qu'un pilote de planeur pourrait essayer d'utiliser les courants ascendants existant dans ou sous ce type de nuage. Il existe deux sortes de dangers pour ce type d'appareil : l'un est lié aux effets de cisaillement entre les zones ascendantes et subsidantes dans le nuage qui peuvent briser le planeur. Le second est plus sournois : les forts courants ascendants sous un cumulonimbus supercellulaire peuvent couvrir un large diamètre et être relativement peu ou pas turbulents comme il est expliqué ci-dessus. Dans ce cas, le planeur est aspiré dans le nuage et le pilote se retrouve en mauvaise posture à cause de la perte des repères visuels (VFR)[12]. Dans le cas d'un vol IFR, les cumulonimbus peuvent surprendre le pilote lorsqu'ils sont noyés dans une masse nuageuse d'une autre type plus bénin. Par exemple des nimbostratus peuvent provenir de l'étalement d'un cumulonimbus (nimbostratus cumulonimbogenitus), rendant probable la présence de cellules convectives encore actives dans le voisinage. Les petits avions de tourisme ne sont généralement pas équipés de radars météorologiques de bord et lors d'une approche IFR peuvent être envoyés accidentellement par le contrôle aérien vers des cellules actives peu évidentes.

Toutefois, en cas de cumulonimbus de taille relativement modeste, rester en l'air, exploiter les courants ascendants sous les cumulus à l'avant de l'orage, voire sous le cumulonimbus lui-même dans sa partie laminaire, et attendre que l'orage se dissipe est préférable pour un planeur au risque d'atterrissage au moment où les rafales descendantes se produisent. À proximité du sol, un pilote de planeur ou d'avion à moteur pourra se faire surprendre par une brusque inversion de la direction du vent et passer d'une situation de vent de face à une situation de vent arrière. Si sa vitesse est insuffisante, il décrochera et s'écrasera au sol. Des cas célèbres d'écrasements se sont produits aux États-Unis qui ont conduit à la mise sur pied d'un réseau de profileur de vents et de radars météorologiques spéciaux près des aéroports pour surveiller ces cisaillements. D'après les règles de la FAA américaine, tout pilote est tenu de s'assurer de la direction et de la vitesse du vent au sol avant de se poser.

Dans certains pays, les planeurs sont autorisés à voler dans les nuages. À titre d'exemple, Helmut Rechmann a tenté aux championnats du monde de vol à voile en 1972 à Vršac d'utiliser les violentes ascendances associées à des cumulonimbus[13]. Au départ, il avait trouvé une ascendance de +8 m/s. Après une demi-spirale, il se retrouva dans une descendance de 15 m/s. Il dut se poser très peu de temps après. À ce moment-là, l'orage était arrivé à maturité. Dans un autre exemple, Terry Delore s'était fait piéger par un orage sévère. Il s'était engagé à l'intérieur d'un cumulus à l'air inoffensif à 2000 pieds (700 m). Ce cumulus s'était transformé en gros cumulonimbus. Le début du vol dans le nuage était sans aucune turbulence. Puis, soudain, son planeur devint incontrôlable. Il se retrouva sur le dos, en piqué, en chandelle etc. Les aérofreins étaient bloqués par la glace, les orifices de ceux-ci étaient pleins de grêlons. Il atterrit sur un aérodrome encore recouvert de grêlons et les rafales de vent atteignaient de 30 à 40 nœuds. Tout le monde avait eu peur pour la vie du pilote[14]. Dans le même ouvrage, l'auteur raconte qu'un moniteur italien de vol à voile à Rieti faisait voler ses élèves dans des cumulonimbus jusqu'à une altitude de 10 000 m pour que ceux-ci s'habituent aux phénomènes associés aux cumulonimbus (p 129).

Un parachutiste ou parapentiste qui s'engage sous un cumulonimbus prend le risque mortel et certain d'être aspiré rapidement jusqu'au sommet de ce nuage: asphyxié, foudroyé, congelé. S'il en réchappe, il peut avoir des dommages irrémédiables au cerveau suite à un manque d'oxygène ainsi que des amputations à la suite des gelures. On pourra également citer le cas d'Ewa Wiśnierska, parapentiste allemande qui a survécu à une ascension de plus de 9 000 m à l'intérieur d'un cumulonimbus. On notera que lorsque le cumulonimbus se désagrège, il n'y a plus d'ascendance et on retrouve même des courants descendants. Les seuls cumulonimbus pouvant être exploitables par le pilote de planeur, sous toutes réserves, seraient les petits cumulonimbus isolés mais les exemples ci-dessus montrent qu'un nuage à l'aspect inoffensif peut devenir très dangereux rapidement. Les lignes d'orages et les orages supercellulaires sont définitivement un risque mortel. Selon les règles du vol à voile, les vols dans les zones préorageuses sont toujours celles du vol à vue car le pilote doit pouvoir observer l'évolution d'un nuage et prendre les mesures nécessaires d'évitement, ou d'atterrissage rapide le cas échéant.

Les exemples donnés ci-dessus démontrent que les différents phénomènes associés aux cumulonimbus peuvent mettre en péril tout type d'aéronef et ses occupants, lorsque le pilote vole à proximité, ou surtout, à l'intérieur d'un nuage d'orage.

Variétés

On distingue les types de cumulonimbus selon leur forme, celle-ci étant reliée au stade de maturité du nuage. Leurs caractéristiques dépendent de l'altitude atteinte dans un environnement spécifique de cisaillement des vents et d’humidité, quel que soit l'endroit ou la saison.

Cumulonimbus calvus

Cumulonimbus calvus avec éclairs nuage-nuage

Cumulonimbus calvus est le stage du cumulonimbus qui se situe entre le cumulus bourgeonnant et le cumulonimbus capillatus. Il atteint une extension verticale similaire à ce dernier mais n'a pas de sommet fibreux en forme d'enclume, le terme calvus signifiant chauve. Il se caractérise par un aspect de bulles rondes et blanches et un sommet bien défini[4].

Ce type de cumulonimbus est surtout formé de gouttelettes surfondues et seulement le sommet commence à contenir des cristaux de glace. Il va donner des averses fortes et peut produire de la foudre nuage-nuage mais généralement pas de grêle[4]. Il peut également produire un front de rafales qui pourra donner un arcus à sa base.

Cumulonimbus capillatus et incus

Cumulonimbus incus

Le cumulonimbus capillatus est la dernière étape de la formation d'un cumulonimbus. Le nuage atteint alors sa plus grande extension verticale car les parcelles d'air humide, montant grâce à l'instabilité de l'air, ont dépassée le niveau d'équilibre et ralentissent leur ascension dans l'inversion de température de la tropopause. Les gouttelettes se transforment en cristaux de glace, selon la disponibilité des noyaux de congélation, et les vents de très haute altitude peuvent les entraîner loin du courant ascendant pour former un nuage de type cirrus au sommet lui donnant une aspect chevelu (capillatus en latin)[4].

Lorsque ce cirrus forme un nuage plat semblable à une enclume, on parle de cumulonimbus capillatus incus (enclume en latin). Sa base très sombre s'accompagne fréquemment de nuages bas déchiquetés, soudés ou non avec elle, que l'on nomme pannus. Dans certains cas, des sommets protubérants en forme de dômes surmontent l'enclume, révélant la très grande intensité du courant ascendant[4].

Les cumulonimbus capillatus et incus peuvent donner toute la panoplie de phénomènes violents comme les pluies torrentielles, la grêle, les rafales descendantes, et même les tornades, surtout s'ils deviennent supercellulaires[4].

Cumulonimbus pileus

Cumulonimbus calvus surmonté d'un pileus

Un cumulonimbus pileus est un cumulonimbus surmonté d'un cirrus comme s'il avait un capuchon (pileus signifie capuchon en latin). Ce cirrus n'est pas directement relié au nuage convectif et se distingue de l'enclume du cumulonimbus incus en cela qu'il se forme plutôt au-dessus de l'orage à cause du courant ascendant. En effet, le mouvement ascendant interne induit un mouvement vertical dans toute la colonne d'air et si l'air en haute altitude est près de la saturation, l'humidité se condense pour former un cirrus par un effet similaire à l'effet de foehn.

La formation du pileus étant distincte du nuage sousjacent, on peut en retrouver avec des cumulus ou des cumulus bourgeonnants. Leur formation cache souvent le vrai sommet du nuage convectif et peut induire en erreur sur le stade auquel il est rendu. Il indique cependant que le mouvement vertical est important et, dans le cas de cumulonimbus, peut être indicateur d'orages violents.

Pyrocumulonimbus

Un pyrocumulonimbus (pyroCb) est un cumulonimbus qui se forme au-dessus d'une source d'intense de chaleur. Ils ont été découverts lors de feux de forêt[15],[16]. Ceux-ci créent des conditions d'instabilité similaires au réchauffement diurne, en plus d’ajouter des particules fines qui peuvent servir à la condensation de la vapeur d’eau en gouttellettes[17]. La source de chaleur est généralement un feu intense ou une éruption volcanique, mais il peut être simplement déclenché par la chaleur des rejets d’une cheminée industrielle si l'air est déjà très instable.

Comme les autres types de cumulonimbus, ils peuvent atteindre la tropopause et donner des précipitations, dont de la grêle noircie par la suie, de la foudre, des rafales descendantes et même parfois des tornades[16],[18]. Cependant, ils vont donner en général beaucoup moins de précipitations que les cumulonimbus réguliers malgré leur forte extension verticale. En effet, l'étude par données de satellites et radars météorologiques a démontré que les gouttes formées dans le nuage sont très petites, même jusqu’au sommet. Ceci est dû au fait que le nombre de noyaux de condensation fournis par la fumée est très grand et mène à une forte compétition pour la vapeur d'eau disponible[17]. La pluie d'un pyrocumulonimbus n'est donc souvent pas suffisante pour éteindre le brasier qui l'a formé et la foudre qu'il génère, à partir de son enclume, peut en allumer d'autres.

Les cumulonimbus peuvent être également la source d'une injection de particules de fumée dans la stratosphère, créant à petite échelle un effet similaire à l’hiver nucléaire en plus d'affecter la formation de l’ozone stratosphérique[19],[20].

Le champignon atomique est aussi un type de pyrocumulonimbus. Le largage de la bombe atomique sur Hiroshima se fit par temps clair. Peu après, le champignon atomique se forma et il commença à tomber de la pluie noire qui était pleine de suie radioactive. Cette pluie tua de nombreuses personnes. Le champignon atomique se développa dans la stratosphère et entraîna de nombreuses particules qui furent restées piégées (voir la théorie de l'hiver nucléaire). Il n'a pas été fait état de phénomènes électriques ou de chutes de grêle, car il semble que la présence de suie empêcha la formation de grosses gouttes ou de grêlons. Même si le champignon atomique peut être assimilé à un très gros cumulonimbus, il ne peut pas être assimilé à un orage supercellulaire.

Autres attributs

Cumulonimbus et quelques attributs
  • Cumulonimbus virga : virga à la base d'un cumulonimbus ;
  • Cumulonimbus pannus : pannus qui apparaissent au-dessous d'un cumulonimbus ;
  • Cumulonimbus mammatus : mamma à la base ou sur les côtés d'un cumulonimbus ;
  • Cumulonimbus velum : voile de cirrus cachant les côtés d'un cumulonimbus ;
  • Cumulonimbus arcus : arcus à la base d'un cumulonimbus ;
  • Cumulonimbus tuba : entonnoir nuageux sous un cumulonimbus et éventuellement une tornade ;
  • Cumulonimbus tholus (terme non officiel) : sommet protubérant au-dessus de l'enclume.

Notes et références

  1. (en)Hot towers, NASA, 2005. Consulté le 2009-09-11
  2. (en)Hurricane structure, News Media Studio, 2001-2003. Consulté le 2009-09-11
  3. (en)Richard R Scorer, Clouds of the world;a complete color encyclopedia, Stackpole books, 1972, 176 p. (ISBN 0-8117-1961-8), p. 40 
  4. a, b, c, d, e, f, g, h, i, j et k (fr)Cumulonimbus, Glossaire météorologique, Météo-France, 2009. Consulté le 2009-08-14
  5. (en)William Cotton, Richard Anthes, Storm and Cloud Dynamics, International geophysics series, vol 44 (p 472), Academic Press (ISBN 0-12-192530-7) 
  6. (en)William Cotton, Richard Anthes, Storm and Cloud Dynamics, International geophysics series, vol 44 (p 466), Academic Press (ISBN 0-12-192530-7) 
  7. (en)William Cotton, Richard Anthes, Storm and Cloud Dynamics, International geophysics series, vol 44 (p 461), Academic Press (ISBN 0-12-192530-7) 
  8. (en)T.W. Krauss et al., « Study of an extremely high cumulonimbus cloud (Andhra Pradesh, India, September 28 2004) », dans Russian meteorology and hydrology, vol. 32, 2007, p. 19- [résumé] 
  9. (en) « Was Air France flight brought down by turbulence or hail? », dans The Christian Science Monitor, 2009-06-02 [texte intégral (page consultée le 2010-10-08)] 
  10. AF 447 : les sondes Pitot bien à l'origine du crash, selon une contre-enquête
  11. Accident survenu a l’Airbus A330-203 vol AF 447 du 1er juin 2009 : Point sur l'Enquête au 27 mai 2011, Bureau d'enquête et d'analyse pour la sécurité de l'aviation civile, 27 mai 2011, pdf, 4 p. [lire en ligne (page consultée le 22 août 2011)] 
  12. (en)Bernard Eckey, Advanced Soaring made easy, second edition (p 133-135), West Lakes, SA (2009) (ISBN 978-09807349-0-4) 
  13. (en)Reichmann Helmut, Cross Country Soaring: A Handbook for Performance and Competition Soaring (7th Edition), Soaring Society of America, 1975, 174 p. (ISBN 1-883813-01-8) [présentation en ligne], p. 19 
  14. (en)Terry Delore, Master of the wave, The Caxton Press, 2005, 182 p. (ISBN 0-473-10744-9), p. 124 et suivantes 
  15. (en)M. Fromm, « Observations of boreal forest fire smoke in the stratosphere by POAM III, SAGE II, and lidar in 1998 », dans Geophysical Research Letters, vol. 27, 2000, p. 1407-1410 [résumé] 
  16. a et b (en)Bob Henson et Nicole Gordon, « Finding pay dirt aloft », UCAR, 2008. Consulté le 2009-09-02
  17. a et b (en)D. Rosenfeld, R. Servranckx, M. Fromm et M. O. Andreae, « Pyro-Cumulonimbus: Strongly suppressed precipitation by smoke-induced extremely small cloud drops up to the homogeneous freezing level », dans Conférence automnale, American Geophysical Union, 2003, p. #A11C-03 [résumé (page consultée le 2009-08-31)] 
  18. (en)M. Fromm, A. Tupper, D. Rosenfeld, R. Servranckx et R. McRae, « Violent pyro-convective storm devastates Australia's capital and pollutes the stratosphere », dans Geophysical Research Letters, vol. 33, 2006, p. L05815 [lien DOI] 
  19. (en)M. Fromm et R. Servranckx, « Transport of forest fire smoke above the tropopause by supercell convection », dans Geophysical Research Letters, vol. 30, 2003, p. 1542 [lien DOI] 
  20. (en)Boreal Forest Fires and their Effects on the Arctic, Polar Study using Aircraft, Remote Sensing, Surface Measurements and Models, of Climate Chemistry, Aerosols and Transport, NOAA, 2009. Consulté le 2009-08-31

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