En plein été, pourquoi des grêlons tombent-ils du ciel ?
― Soulevés encore et encore, ils s'épaississent peu à peu
Par un après-midi où le thermomètre dépasse 30 °C, des grêlons blancs peuvent frapper le toit. Cela semble étrange, mais à quelques kilomètres d'altitude, il fait toujours en dessous de 0 °C, même en plein été. Dans un cumulonimbus bien développé, de puissants courants ascendants portent sans cesse de petits grêlons vers le haut. À chaque montée, l'eau environnante se fixe sur eux et gèle. On pense que la grêle est ainsi formée de glace accumulée en couches, qui finit par tomber lorsqu'elle devient trop lourde pour être portée.
Un après-midi d'été, le ciel s'assombrit soudain et de grosses gouttes de pluie se mettent à tomber. Bientôt, des grains blancs et durs se mêlent à la pluie. Sur le toit ou le balcon, on entend un crépitement sec.
En regardant dehors, on voit de petits grêlons rebondir sur le sol. Posés sur la paume de la main, ils fondent aussitôt en eau. Pourtant, il fait plus de 30 °C : c'est bien de la glace.
Où cette glace s'est-elle formée, et comment a-t-elle pu tomber sans fondre entièrement dans la chaleur de l'été ?
Il y a essentiellement deux raisons
La température de l'air baisse avec l'altitude. Même si le sol affiche 30 °C, à environ 5 kilomètres d'altitude, on passe sous 0 °C. Même l'été, un « atelier à glace » existe au-dessus de nos têtes.
Dans un cumulonimbus bien développé, l'air monte avec force. Les petits grêlons, qui tentent de retomber, sont repoussés vers le haut. Pendant ces allers-retours, l'eau se fixe sur eux et les fait grossir couche après couche.
C'est la réunion de ces deux facteurs qui permet de former de gros grêlons. Voyons-les l'un après l'autre.
La « chambre froide » en altitude ne ferme jamais, même l'été
Plus on s'élève du sol, plus la température de l'air baisse. On estime qu'elle chute d'environ 0,6 °C tous les 100 mètres. Si le sol est à 30 °C, on tourne autour de 0 °C vers 5 kilomètres d'altitude.
Un cumulonimbus peut dépasser largement cette couche sous 0 °C et s'étirer jusqu'à plus de 10 kilomètres d'altitude. Au sommet du nuage, on est dans un monde à -20 °C, voire -40 °C. Autrement dit, même en plein ciel d'été, il existe toujours un endroit où fabriquer de la glace. Si elle n'atteint généralement pas le sol, c'est simplement parce qu'elle fond en chemin en tombant.
« Soulever à répétition » fait grossir les grêlons
Un petit grêlon qui tombe tout droit fondrait en chemin et deviendrait simple pluie. Mais à l'intérieur d'un cumulonimbus, il existe des courants ascendants pouvant atteindre plusieurs dizaines de mètres par seconde. Avant d'avoir fini de tomber, le grêlon est repoussé vers le haut, de retour dans la couche sous 0 °C.
Dans ce courant ascendant flottent de nombreuses gouttelettes d'eau restées liquides malgré une température sous 0 °C : on les appelle des gouttelettes en surfusion. Quand un grêlon les percute, elles gèlent instantanément à son contact. À force d'être soulevé puis de retomber, le grêlon accumule des couches de glace, comme un oignon. Regardez la figure 1.
En hiver aussi, l'altitude reste sous 0 °C, mais le courant ascendant y est plus faible, ce qui rend la croissance de gros grêlons difficile. Du printemps à l'été, quand le soleil réchauffe fortement le sol, la force qui pousse le nuage vers le haut est plus intense. Au Japon, les statistiques montrent d'ailleurs une fréquence plus élevée au début de l'été.
Dans les règles météorologiques japonaises, on parle de « grésil » sous 5 millimètres de diamètre, et de « grêle » à partir de 5 millimètres. Le processus de formation est le même : seule la maturité du grain diffère.
Alors, que faire ?
- Au moindre bruit dur, entrer immédiatement dans un bâtimentLes grêlons tombent vite. Le mieux est un toit qui protège la tête.
- S'éloigner des fenêtresLes gros grêlons peuvent briser le verre. Restez du côté des murs.
- Ne pas sortir tant qu'il en tombeOn a envie d'aller en ramasser, mais attendez que ça s'arrête.
Les cumulonimbus qui produisent de la grêle peuvent aussi provoquer des vents violents et de la foudre. Ne vous approchez pas d'un arbre ni d'un poteau électrique. La règle de base est de se réfugier dans un bâtiment solide et d'attendre que ça passe. En cas de blessure, comme un coup à la tête, ou si quelqu'un s'effondre, appelez sans hésiter les secours (119 au Japon). Les conseils donnés ici ne sont qu'indicatifs : la meilleure conduite à tenir dépend de la situation.
En résumé
S'il grêle en été, c'est parce qu'une couche sous 0 °C existe en permanence en altitude. Et un puissant courant ascendant fait faire des allers-retours répétés aux grêlons entre cette couche et les couches inférieures. À chaque aller-retour, des gouttelettes en surfusion gèlent à leur surface et forment une nouvelle couche, faisant grossir le grain. Quand le courant ascendant ne peut plus le soutenir, le grêlon tombe d'un coup. Un grêlon de grande taille est donc aussi la preuve qu'un courant ascendant particulièrement puissant était à l'œuvre.
La grêle n'est pas simplement de la glace tombée du ciel.
C'est de la glace qui a fait plusieurs allers-retours dans le ciel, s'épaississant peu à peu.
Le nuage qui fait grandir la grêle est traité dans « Pourquoi les cumulonimbus grandissent-ils si haut ? », la façon dont les gouttes d'eau et de glace flottent dans le ciel dans « Les nuages sont faits d'eau : pourquoi ne tombent-ils pas ? », et le mécanisme qui détermine la forme de la glace dans « Pourquoi les flocons de neige sont-ils hexagonaux ? ».
- Après une chute de grêle, une fois que c'est terminé, ramassez un grêlon et mesurez son diamètre avec une règle. À partir de 5 millimètres, c'est de la « grêle ».
- Posez un grêlon sur une assiette froide et regardez-le à contre-jour dans une lumière vive. On peut parfois voir des zones transparentes et des zones blanches et opaques disposées en couches.
- Comparez l'opacité de la glace obtenue en faisant geler lentement de l'eau dans un bac à glaçons, et celle obtenue en la faisant geler rapidement. Plus la glace gèle vite, plus elle est blanche et opaque. Les couches blanches de la grêle se forment pour la même raison.
Ne ramassez des grêlons qu'une fois la chute terminée et la sécurité assurée.
Pour aller plus loin ― termes, formules et liens avec les manuels scolairesDu collège aux matières universitaires spécialisées, le niveau de chaque partie est indiqué
- CollègeProgramme de sciences du collège
- LycéeProgramme de « sciences de la Terre / physique » de base au lycée
- Lycée +Contenu avancé du lycée, ou encadré du manuel
- UniversitéContenu non vu au lycée, matière universitaire spécialisée (météorologie, physique des nuages)
- RechercheSujet qui n'est même pas encore un « fait établi » à l'université, encore étudié activement par les chercheurs
CollègeVocabulaire : ce phénomène a un nom
- Gouttelette en surfusion : petite gouttelette d'eau restée liquide malgré une température sous 0 °C. Au moindre contact, elle gèle brusquement sur place.
- Croissance par givrage : processus par lequel un grêlon capture des gouttelettes en surfusion, les fait geler, et grossit vers l'extérieur. C'est la voie principale de croissance de la grêle.
- Vitesse limite : vitesse atteinte par un objet qui tombe lorsque la résistance de l'air équilibre son poids et qu'il cesse d'accélérer. Plus le grain est gros, plus cette vitesse est élevée.
- Gradient thermique vertical : taux de baisse de la température avec l'altitude. On l'estime à environ 0,6 °C par 100 mètres.
CollègeLycéeVérification par le calcul : à quelle vitesse la grêle tombe-t-elle ?
La vitesse de chute de la grêle dépend approximativement du diamètre du grain. Utilisons des valeurs de référence et convertissons-les en km/h pour se faire une idée concrète. Le sens des symboles et leurs unités figurent dans le tableau suivant.
| Symbole d | Signification : diamètre du grêlon / unité : centimètre |
| Symbole v | Signification : vitesse limite de chute / unité : mètre par seconde |
| Symbole V | Signification : vitesse limite convertie en km/h / unité : kilomètre par heure |
| Notation symbolique | v = √( 8 × ρglace × g × r ÷ ( 3 × ρair × Cd ) ) |
| En mots | Vitesse limite = racine carrée de (8 × densité de la glace × accélération de la pesanteur × rayon du grain) divisé par (3 × densité de l'air × coefficient de traînée) |
| D'où vient cette formule | C'est l'équation d'équilibre entre le poids du grain (proportionnel au volume) et la résistance de l'air (proportionnelle à la surface frontale et au carré de la vitesse) : une fois l'équilibre atteint, le grain n'accélère plus. |
| Symbole ρglace (densité de la grêle) | environ 900 kg/m³ |
| Symbole ρair (densité de l'air en altitude) / Symbole Cd (coefficient de traînée d'un grain proche d'une sphère) | environ 1,0 kg/m³ / environ 0,6 |
| Symbole g (accélération de la pesanteur) / Symbole r (rayon) | 9,8 m/s² / 0,005 m |
| ρglace × g | 900 × 9,8 = 8820 |
| On multiplie encore par le rayon r | 8820 × 0,005 = 44,1 |
| On multiplie par 8 (numérateur) | 44,1 × 8 = 352,8 |
| Dénominateur 3 × ρair × Cd | 3 × 0,6 = 1,8 |
| Numérateur divisé par dénominateur (v au carré) | 352,8 ÷ 1,8 = 196 |
| Sa racine carrée donne la vitesse limite v | la racine de 196 est 14, soit environ 14 mètres par seconde |
La valeur issue du calcul concorde bien avec la valeur observée de référence utilisée au ① (environ 14 m/s). Si le rayon est multiplié par 5, la vitesse est multipliée par la racine carrée de 5, soit environ 2,2.
| Vitesse de chute d'un grain de 1 centimètre de diamètre | environ 14 mètres par seconde |
| Vitesse de chute d'un grain de 5 centimètres de diamètre | environ 33 mètres par seconde |
| Facteur de conversion m/s vers km/h | 3,6 |
| Conversion en km/h pour un grain de 1 centimètre | 14 × 3,6 = 50,4 |
| Conversion en km/h pour un grain de 5 centimètres | 33 × 3,6 = 118,8 |
| Le grand grain est combien de fois plus rapide que le petit ? | 33 ÷ 14 ≈ 2,4 |
Même un grain de 1 centimètre de diamètre tombe à environ 50 km/h, la vitesse d'une voiture en ville. Un grain de 5 centimètres atteint environ 119 km/h. Et pour qu'un grain grandisse jusque-là, il a fallu un courant ascendant soufflant à peu près à cette même vitesse dans le nuage.
LycéeLycée +Pourquoi des couches se forment-elles ?
LycéeQuand l'eau gèle, elle dégage une chaleur appelée chaleur de solidification. Selon que cette chaleur peut ou non s'évacuer dans l'environnement, l'aspect de la glace change. Un gel lent expulse l'air et donne une glace transparente. Un gel brusque emprisonne l'air et donne une glace blanche et opaque.
Lycée +Quand le grain traverse une zone riche en gouttelettes en surfusion, l'eau s'étale à sa surface puis gèle lentement, formant une couche transparente. Dans une zone froide pauvre en gouttelettes, l'eau qui frappe le grain gèle aussitôt en emprisonnant de l'air, formant une couche blanche. On pense que l'empilement des couches garde ainsi la trace du chemin parcouru par le grain.
UniversitéL'équilibre des forces qui soutient le grain
Sur un grain en chute agissent la gravité et la résistance de l'air. Cette dernière est à peu près proportionnelle à la surface frontale du grain et au carré de sa vitesse. La masse, à l'origine du poids, est proportionnelle au volume, donc au cube du diamètre. En posant l'équilibre entre les deux, on obtient une relation où la vitesse limite est approximativement proportionnelle à la racine carrée du diamètre. C'est une croissance relativement modérée : même si le diamètre est multiplié par 25, la vitesse n'est multipliée que par environ 5. Cette relation, traitée dans les manuels de physique des nuages, s'exprime à travers les formules de la vitesse limite et de la traînée (coefficient de traînée).
📖 Pour la démonstration de la formule et pour aller plus loin : Vitesse limite (Wikipédia, en japonais) ／ Traînée (Wikipédia, en japonais)
RechercheCe qui n'est pas encore clairement établi
- Le trajet du grain correspond-il vraiment à un « nombre d'allers-retours » ? On souligne que le nombre de couches ne représente pas forcément le nombre exact d'allers-retours : plusieurs couches peuvent se former en une seule montée et une seule descente.
- La prévision de la taille reste difficile. Même si l'apparition d'un cumulonimbus est prévisible, déterminer à l'avance où tombera quelle taille de grêlon reste aujourd'hui encore un défi.
- Le lien avec le changement climatique. Une hausse des températures élève la couche sous 0 °C, ce qui allonge la distance de fonte pendant la chute. Mais le courant ascendant pourrait aussi se renforcer : le bilan net n'est pas encore tranché.
Autrement dit, le contenu de cet article aussi n'est qu'une « explication dans l'état actuel des connaissances ». À mesure que le réseau d'observation s'affine, certains points pourraient être révisés.
Liens avec les manuels scolaires (par niveau)
| Niveau | Matière / unité | Partie correspondante de l'article |
|---|---|---|
| Collège | Sciences ― Le temps et ses changements | Baisse de la température avec l'altitude, formation des nuages |
| Lycée | Sciences de la Terre ― Structure de l'atmosphère / Physique ― Chute et résistance | Gradient thermique vertical et vitesse limite |
| Lycée + | Chimie avancée ― Changements d'état et chaleur latente | Chaleur dégagée lors du gel et aspect des couches |
| Université | Météorologie / Physique des nuages | Détermination de la vitesse limite par équilibre des forces |
| Recherche | Météorologie de méso-échelle / Évaluation de l'impact du changement climatique | Section « Ce qui n'est pas encore établi » |
| ― | Lien avec la vie quotidienne | Décision de se réfugier dans un bâtiment au moindre bruit dur |
- Agence météorologique du Japon, « Termes de prévision — précipitations (définitions du grésil et de la grêle) », site de l'Agence météorologique du Japon (気象庁)
- Yoshimitsu Ogura, Météorologie générale (2ᵉ édition révisée), Presses de l'Université de Tokyo (小倉義光『一般気象学（第2版補訂版）』東京大学出版会)
- Société météorologique du Japon (日本気象学会) (dir.), Dictionnaire des sciences météorologiques, Tokyo Shoseki (東京書籍)
- National Severe Storms Laboratory, NOAA, « Severe Weather 101: Hail »
- Agence météorologique du Japon, « Se protéger de la foudre et de la grêle », site de l'Agence météorologique du Japon (気象庁)
※Cet article est une vulgarisation scientifique à destination du grand public. Les valeurs numériques indiquées sont des repères et des approximations destinés à faciliter la compréhension du mécanisme. En cas d'intempéries, suivez les annonces de l'Agence météorologique et les consignes des pompiers et des autorités locales.