Pourquoi les cumulonimbus montent-ils si haut ?
– Le « moteur » des courants ascendants
Un après-midi d'été, un petit nuage blanc flottant seul dans le ciel bleu peut, en moins d'une heure, devenir une tour immense qui donne le vertige. Ce nuage, que les météorologues appellent « cumulonimbus », peut dépasser 10 km de hauteur. Quel carburant lui permet donc de grandir autant ?
Par une chaude journée d'été, avez-vous déjà aperçu au loin un nuage d'un blanc éclatant, qui gonfle en bourgeonnant ? Si vous détournez le regard un moment, puis regardez de nouveau, il semble bien plus gros qu'avant, et haussé vers le haut.
Contrairement aux autres nuages, par exemple ceux qui s'étalent en voile mince sur tout le ciel, le cumulonimbus se caractérise par une seule masse qui s'élève toujours plus haut, comme un être vivant. Quelles forces agissent à l'intérieur ?
En fait, la croissance du cumulonimbus reposerait sur un second mécanisme, que la seule montée de l'air chaud ne suffit pas à expliquer.
Le sol, chauffé par le soleil, réchauffe l'air. Les masses d'air devenues plus légères que leur environnement montent en courant ascendant.
Quand la vapeur d'eau de l'air ascendant se refroidit et se change en gouttelettes, elle libère de la chaleur, qui réchauffe encore l'air voisin et accélère la montée, pense-t-on.
Voyons pas à pas ce mécanisme où « la montée entraîne encore plus de montée ».
Pourquoi l'air chaud monte-t-il ?
Quand l'air se réchauffe, il se dilate et son poids par unité de volume (sa densité) diminue. Une masse d'air plus légère que son environnement monte, comme une bulle qui remonte dans l'eau. Sous le fort soleil d'été, le sol chauffe l'air au-dessus de lui, qui se réchauffe à son tour, et de puissants courants ascendants naissent.
L'altitude de formation du nuage : là où l'air se refroidit et où la vapeur devient gouttelettes
En montant, l'air rencontre une pression de plus en plus basse : il se dilate et sa température baisse peu à peu. Quand elle atteint la température à laquelle la vapeur d'eau qu'il contient commence à se changer en gouttelettes (le point de rosée), la vapeur devient de minuscules gouttelettes visibles, et le nuage commence à se former. On sait que plus l'écart entre la température au sol et le point de rosée est grand, plus cette altitude est élevée.
Chaque fois que la vapeur d'eau devient gouttelettes dans le nuage, elle produit une chaleur qui soutient sa croissance.
Quand la vapeur devient gouttelettes, elle libère de la chaleur : le « moteur »
Quand la vapeur d'eau se change en gouttelettes (se condense), une chaleur appelée « chaleur latente de condensation » est libérée dans l'air environnant. Grâce à elle, l'air du nuage reste plus chaud et plus léger que l'air voisin. Restant chaud, il continue de monter : montée et condensation se répètent, et le nuage s'élève de plus en plus.
Ce mécanisme d'auto-accélération — « plus l'air monte, plus il produit de chaleur, et cette chaleur pousse encore la montée » — expliquerait pourquoi un cumulonimbus atteint en quelques dizaines de minutes à une heure l'allure d'une tour gigantesque.
Le sommet d'un cumulonimbus développé peut prendre la forme d'une « enclume », étalée à plat sur les côtés. On l'explique ainsi : au-delà d'une certaine altitude, l'air environnant forme une couche stable où la température ne baisse plus guère. L'air du nuage, monté jusque-là, ne peut pas la franchir et s'étale latéralement.
Ce que vous pouvez vérifier vous-même
- Un après-midi d'été ensoleillé, repérez un nuage qui gonfle en bourgeonnant
- D'un endroit sûr, prenez une photo toutes les 10 à 15 minutes, dans la même direction (un smartphone suffit)
- Alignez les photos et comparez l'évolution de la hauteur et de la forme du nuage
- Regardez aussi si la vigueur de la croissance diffère entre un nuage du matin et un nuage de l'après-midi, quand il fait plus chaud
Quand un cumulonimbus se développe rapidement, il peut s'accompagner de pluies violentes de courte durée, d'orages et de rafales. Observez depuis un lieu couvert et sûr, ou depuis un endroit d'où vous pouvez vous abriter tout de suite.
En résumé
Le cumulonimbus naît de l'air chauffé au sol qui monte sans cesse en courant ascendant. Quand la vapeur d'eau de cet air se change en gouttelettes, elle libère une chaleur appelée chaleur latente de condensation. Grâce à ce mécanisme d'auto-accélération, où cette chaleur pousse encore la montée, le nuage atteint en peu de temps une hauteur gigantesque, pense-t-on. À la couche stable en altitude, il ne peut plus monter et son sommet s'étale sur les côtés.
La puissance impressionnante d'un cumulonimbus ne vient pas d'un nuage simplement emporté par le vent : il est poussé de l'intérieur par la chaleur qu'il produit lui-même.
Les pluies violentes que ce nuage déverse dans les vallées peuvent faire gonfler brusquement une rivière loin de là, sous un ciel dégagé. Ce mécanisme et les gestes qui protègent sont expliqués dans cet article.
Ce puissant courant ascendant fait grossir non seulement la pluie, mais aussi des grains de glace. Pourquoi il peut grêler en plein été est expliqué en détail dans Pourquoi des grains de glace (la grêle) tombent-ils du ciel en plein été ?
Ce nuage n'est pas fait que de courants montants. Sous lui, de l'air refroidi retombe. C'est pourquoi un vent froid souffle avant la pluie ; on l'explique dans Pourquoi un vent froid se lève-t-il soudain juste avant l'orage d'été ?
Pour aller plus loin – termes, chiffres et lien avec les manuelsDu collège aux sujets de recherche : le niveau de chaque partie est indiqué
- CollègeNiveau du programme de sciences au collège
- LycéeNiveau de la « Géosciences de base » du lycée japonais
- Lycée +« Géosciences » du lycée, ou contenus d'approfondissement et encadrés des manuels
- Univ.Matière spécialisée universitaire (dynamique de l'atmosphère), non vue au lycée
- RechercheSujets que les chercheurs étudient en ce moment, pas encore enseignés comme acquis, même à l'université
CollègeVocabulaire : les mots du cumulonimbus
- Courant ascendant : flux d'air devenu plus léger que son environnement, qui monte.
- Point de rosée : température à laquelle la vapeur d'eau de l'air commence à se changer en gouttelettes.
- Chaleur latente de condensation : chaleur libérée dans l'air environnant quand la vapeur d'eau devient gouttelettes.
LycéeVérifier par les formules : altitude de formation du nuage et temps de croissance
À titre indicatif, calculons l'altitude de formation du nuage à partir de l'écart température–point de rosée, puis son temps de croissance à partir de la vitesse du courant ascendant.
| En symboles (hauteur de la base du nuage) | h ＝ 122 ×（T － Td） |
| En symboles (temps de croissance) | t ＝ H ÷ w |
| En mots | temps nécessaire ＝ hauteur du nuage ÷ vitesse du courant ascendant |
| D'où vient la formule | L'air qui monte se refroidit d'environ 10 °C par 1000 m, alors que le point de rosée ne baisse que d'environ 2 °C. L'écart entre les deux se réduit donc de 8 °C par 1000 m |
| Hauteur pour réduire l'écart de 1 °C | 1000 ÷ 8 ＝ 125 (m) |
| D'où vient le coefficient | En pratique, on utilise la valeur 122 au lieu de 125 m. La formule du temps est « vitesse × temps ＝ distance » résolue pour le temps |
Altitude de formation du nuage (m) ＝ 122 ×（température － point de rosée）
| Température, point de rosée | Valeurs au sol (°C) |
| 122 | Coefficient empirique utilisé en météorologie à titre indicatif |
| Écart température – point de rosée (°C) | 30 − 18 ＝ 12 |
| Altitude de formation du nuage (m) | 122 × 12 ＝ 1464 |
| Résultat | Environ 1464 m au-dessus du sol (env. 1,5 km) |
* Cette formule est une approximation empirique utilisée en météorologie à titre indicatif.
| Temps nécessaire (s) | 9000 ÷ 15 ＝ 600 |
| Conversion des secondes en minutes | 600 ÷ 60 ＝ 10 |
| Résultat | Environ 10 minutes |
Ce calcul n'est qu'indicatif, mais un nuage géant de 9000 m de haut serait porté d'un seul coup par le courant ascendant en une dizaine de minutes seulement. Comme la croissance réelle dépend aussi des variations de force du courant ascendant, elle ne se déroule pas à vitesse constante selon ce temps.
Lycée +La « flottabilité » entretenue : une rétroaction positive
Le fait qu'une masse d'air montante reste plus légère que son environnement se dit, en termes techniques, « avoir une flottabilité positive ». Grâce à la libération de chaleur latente, cette flottabilité se maintient, ce qui expliquerait la durée des forts courants ascendants des cumulonimbus. En météorologie, ce degré de facilité à monter s'exprime par un indice appelé « énergie potentielle de convection disponible (CAPE) ».
Univ.Les mouvements d'air complexes à l'intérieur d'un cumulonimbus
En dynamique de l'atmosphère, on sait qu'un cumulonimbus contient non seulement de forts courants ascendants, mais aussi des courants descendants entraînés par la chute des gouttes de pluie, qui forment ensemble un écoulement d'air très enchevêtré. On pense que la relation entre ces flux montants et descendants influe sur la durée de vie du nuage et sur la façon dont tombent les pluies locales violentes. La grandeur qui mesure cette facilité à monter, l'énergie potentielle de convection disponible, se lit comme une aire sur l'émagramme, diagramme de l'état de l'atmosphère.
📖 Dérivation des formules et pour aller plus loin : Énergie potentielle de convection disponible (CAPE) ／ NOAA « JetStream », ressources d'apprentissage en météorologie
RechercheCe qui n'est pas encore clair
- Les techniques pour prévoir plus précisément et plus tôt quand et où un cumulonimbus va se développer brusquement restent un sujet de recherche en météorologie (amélioration de la prévision des « pluies torrentielles soudaines »).
- La façon dont le réchauffement du globe modifie la vigueur et la fréquence des cumulonimbus est aussi étudiée en climatologie.
- Le développement de techniques de prévision à courte échéance du développement des nuages par simulation numérique, avec des radars météo haute résolution et des superordinateurs, progresse également.
Les cumulonimbus qui se dressent dans le ciel d'été recèlent des sujets riches, à la croisée de la dynamique de l'atmosphère et de la climatologie, encore étudiés aujourd'hui.
Lien avec les manuels (par niveau)
| Niveau | Matière · chapitre | Où dans cet article |
|---|---|---|
| Collège | Sciences · formation des nuages | Termes de base : courant ascendant, point de rosée, chaleur latente |
| Lycée | Géosciences de base · atmosphère et nuages | Calcul de l'altitude du nuage et du temps de croissance |
| Lycée + | Géosciences · stabilité de l'atmosphère (approfondissement) | Flottabilité positive et notion de CAPE |
| Univ. | Dynamique de l'atmosphère | Structure des flux montants et descendants dans un cumulonimbus |
| Recherche | Météorologie et climatologie (en cours) | Prévision des développements brusques, tendances sous changement climatique |
- Explications sur le développement des cumulonimbus dans des manuels et documents de météorologie.
- Explications sur la formule approchée de l'altitude de formation des nuages dans des manuels de géosciences.
- Synthèse de recherches en dynamique de l'atmosphère sur l'énergie potentielle de convection disponible (CAPE) et le développement des cumulonimbus.
- Synthèse de recherches en météorologie sur les techniques de prévision des pluies locales intenses (dites « pluies torrentielles soudaines »).
- Synthèse de recherches en climatologie sur les tendances de l'activité convective sous changement climatique.
* La formule de l'altitude de formation du nuage et le temps de croissance sont des calculs approchés, à titre indicatif. Les valeurs réelles peuvent varier fortement selon l'état de l'atmosphère du jour.
* Cet article est une explication scientifique grand public. Quand un cumulonimbus se développe rapidement, la foudre, les rafales et de fortes pluies soudaines sont à craindre. Si le ciel change brusquement, mettez-vous vite à l'abri, par exemple dans un bâtiment solide.