Averses et orages
Article publié dans ULMiste n°11, août 2012
Averses et Orages
« Ô rage, ô désespoir, ô vieillesse ennemie,
Que n’ai-je donc tant vécu pour cette infamie… »
Ces deux vers de mon pote Corneille, au passage, des grands classiques de la comédie française, reflètent parfaitement l’attitude ou le comportement que devrait avoir tout pilote d’ULM en présence d’un nuage d’orage : le cumulonimbus. Et si vous ne me croyez pas, à quatre pas d’ici, je vous le fais savoir…
L’orage, c’est d’abord un danger pour tout le monde. La presse quotidienne en fait souvent l’écho : mini tornade emportant des toits, orages violents avec grêle sur les cultures, rivières en crue, arbres arrachés, routes coupées, maisons foudroyées. Voilà donc un danger pour chacun d’entre nous, que l’on soit au sol ou encore en l’air.
Cause et formation
Quand de l’air sec et trop froid surplombe de l’air humide et surchauffé à la base, l’instabilité est maximale et l’atmosphère explose. Les ciels chaotiques, avec des nuages bourgeonnants à l’étage moyen caractérisent bien cet état pré-orageux. On trouve souvent ce genre de situation par flux de sud-ouest, avec de l’air chaud et humide qui remonte sur la France. Les systèmes de basses pressions ou les marrais barométriques, vastes zones sans flux organisé où l’air stagne et se réchauffe au contact du sol sont favorables à cette évolution. La saison propice se situe en gros du mois d’avril, jusqu’à la fin de l’été. Par contre, en automne ou en hiver, l’air est en général trop froid et trop sec pour déclencher des orages convectifs. Tout ceci en France métropolitaine, bien entendu.
Fig1 : Exemple de ciel pré-orageux, avec des altocumulus, nuages bourgeonnants à l’étage moyen, entre 3000 et 6000 m.
Fig2 : Exemple de situation orageuse au printemps et en été.
Il faut savoir gérer l’averse
Le premier stade avant l’orage, c’est l’averse. Le phénomène se produit sous un gros cumulus (on parle de cumulus congestus, ou tower cumuls en anglais (TCU)). Notre affaire commence dès le matin, lorsque le soleil éclaire et chauffe le sol, qui va à son tour réchauffer les basses couches de l’atmosphère. Il se crée ainsi des mouvements verticaux ascendants d’abord, descendants ensuite. Les seconds venant compenser les premiers. On assiste au démarrage de la convection. Celle-ci va prendre de l’ampleur avec l’augmentation de la température au sol. En regardant de plus près, on peut imaginer un petit volume d’air chaud, emporté dans l’ascendance, un peu comme une montgolfière qui s’élève sous l’effet du réchauffement. Pendant son ascension, la pression du volume d’air en question diminue et cela provoque une baisse progressive de sa température. Lorsque le refroidissement est suffisant et si l’humidité (pourcentage de vapeur d’eau contenue dans le volume d’air) le permet, la vapeur d’eau se condense. L’eau sous forme de vapeur se transforme ainsi en eau liquide. Une petite gouttelette d’eau apparaît et reste en suspension, soutenue par le mouvement ascendant. Voilà donc la base de notre cumulus. Le brassage préliminaire des couches inférieures, celui qui précède l’établissement des mouvements convectifs d’une plus grande amplitude, a pour effet de mélanger les couches et d’homogénéiser la teneur en vapeur d’eau. L’humidité spécifique des divers volumes d’air ascendants est donc peu différente d’un point à un autre. Il en résulte que tous les volumes d’air ont un point de condensation situé à peu près au même niveau. Le nuage ainsi formé présentera par la suite une base horizontale qui matérialise le niveau de convection. La condensation provoque un autre phénomène, une libération de chaleur, un peu comme dans un hammam. L’augmentation de température renforce le mouvement ascendant et l’expansion du cumulus. Celui-ci peut monter très haut si rien ne l’arrête. A ce stade, il peut générer des mouvements verticaux proches de 5 m/s et de bonnes turbulences. Vers 3000 m d’altitude, les choses se compliquent car la température des gouttelettes va passer négative. Elles vont progressivement se transformer en cristaux de glace. Ces éléments solides vont favoriser le grossissement des gouttes qui vous s’agglomérer au fil de l’ascension.
Un peu d’arithmétique : une goutte d’eau en suspension dans l’air, c’est un peu comme un ULM, elle est soumise à deux forces opposées.
- D’abord la portance qui la pousse vers le haut. Cette portance est proportionnelle à la surface de la goutte. Petit rappel de sixième, la surface d’une sphère est proportionnelle au carré de son rayon et des brouettes (4 x Pi x R x R).
- Ensuite le poids qui tire vers le bas. Le poids est proportionnel au volume de la goutte. Normal, plus elle est grosse, plus elle est lourde. Le volume d’une sphère est proportionnel au cube du rayon et des brouettes (4/3 Pi x R x R x R). Ainsi quand on double le rayon d’une goutte, on multiplie sa surface, ou encore sa portance par : deux au carré, soit quatre. On multiplie son volume ou encore son poids par : deux au cube, soit huit. C’est-à-dire que le poids augmente plus vite que la portance. En résumé : si la portance est suffisante pour soutenir la goutte de rayon R. Elle ne l’est plus pour sustenter la goutte de rayon 2 fois R.
Fig3 : Si l’ascendance soutient la goutte de rayon R
Fig4 : Elle n’est plus assez puissante pour soutenir la goutte de rayon 2R.
Fig5 : Cumulus congestus en formation. Au centre le mouvement ascendant chaud et humide est compensé sur les cotés par un mouvement descendant froid et sec.
Fig6 : Arrivé à maturité, le nuage se vide. L’averse provoque un mouvement descendant qui inhibe l’ascendance initiale.
Fig7 : Une fois vidé, le nuage commence à se défaire.
Tant que le mouvement ascendant est assez puissant pour soulever les gouttes d'eau, elles vont continuer leur ascension en grossissant. Mais à partir du moment où celui-ci n’est plus assez fort pour les soutenir, elles se mettent à descendre et c’est le début de l’averse. La pluie entraîne un mouvement descendant qui va d’abord contrarier le mouvement ascendant initial. Mais le plus grave, c’est que cette confusion se manifeste par de la turbulence. Parfois même l’irruption d’air trop froid au niveau du sol, provoque des rafales de vent.
Quand le nuage s’est totalement vidé, il ne représente plus beaucoup d’intérêt. L’averse récente a humidifié les basses couches et l’apport d’air froid au niveau du sol a stabilisé toute la zone. Le nuage prend un aspect stratiforme avant de se désagréger. Un cumulus congestus ne représente pas de danger réel pour notre activité, dans la mesure où le pilote peut voler suffisamment loin. Tant qu’on peut altérer sa route pour éviter l’averse ou les turbulences, il n’y a pas de problème.
Avec l’orage, on passe au stade supérieur : le cumulonimbus
Le développement d’un cumulonimbus nécessite une forte instabilité de l’atmosphère. Cette instabilité peut se manifester localement dans le cas d’un cumulonimbus isolé ou tout au long d’une ligne frontale. Dans ce cas, l’amas nuageux peut cacher de nombreux cumulonimbus sur une grande distance, noyés dans la masse.
Souvent, au départ, un cumulus plus puissant assèche l’air environnant dans un rayon assez vaste. Le nuage en formation génère de la subsidence (affaissement de la masse d’air) tout autour qui bloque la convection. Simultanément, il aspire toute l’humidité des basses couches. Car la formation d’un cumulonimbus exige une quantité de vapeur d’eau considérable. Le flux d’air humide converge de l’extérieur, vers le centre de la cellule, en renforçant le courant ascendant central. Tout ceci au détriment des cellules voisines de plus petites tailles, qui tendent alors à disparaître. Dans d’autres circonstances, le flux convergeant des basses couches aspire les développements cumuliformes voisins, qui viennent alors se coller au cumulonimbus central. Les cumulus les plus lointains se dissipent totalement, pour laisser place un cumulonimbus unique mais très vigoureux, totalement isolé dans le ciel bleu.
Fig 8 : création de multiples cellules convectives dans un air brumeux à la base.
Fig 9 : flux convergeant chaud et humide vers la plus grosse cellule centrale et affaiblissement des cellules avoisinantes.
Le premier stade de développement est le cumulonimbus calvus (chauve en latin). Cette espèce apparaît juste après le cumulus congestus. Il est parfois difficile de faire la différence. Cependant, quand un gros congestus semble s’arrêter de bourgeonner et que sa partie supérieure en forme de chou-fleur prend un aspect fibreux, on admet qu’il est passé au stade de cumulonimbus calvus. Avant le déclenchement de la pluie, l’essentiel de la dynamique atmosphérique est ascendante, avec des vitesses verticales impressionnantes accompagnées de fortes turbulences. Il faut donc s’en tenir éloigné à bonne distance. Ce qui est d’autant plus difficile, puisque dans les basses couches, l’ensemble des mouvements horizontaux convergent vers le nuage afin de compenser l’appel d’air du flux ascendant.
Fig 10 : Forme et dimensions d’un cumulonimbus calvius.
Le stade ultime du cumulonimbus est le capillatus. Son sommet en forme d’enclume prend un aspect chevelu. Justement, à cause de cette enclume, on dit qu’il faut être marteau pour aller voler dessous. La tropopause représente la frontière entre la troposhère et la stratosphère. C’est une couche d’inversion qui se situe entre 10 et 14 km d’altitude. Sur toute l’épaisseur de la tranche, la température qui ne diminue pas, reste voisine de –50 degrés. La tropopause, comme toutes les couches d’inversion, va bloquer le développement vertical du nuage. Toujours alimenté en air chaud à la base, le « cunimb » est alors contraint de s’étaler sur le plan horizontal. Visible de loin, jusqu’à 100 km, il prend donc cette forme caractéristique de l’enclume. De près ou encore dessous, son aspect est sombre et menaçant. Des protubérances en forme de mamelles pendent parfois dessous. A ce stade, il représente tous les dangers que peut produire l’atmosphère : au sol précipitations intenses, sous forme d’averses de pluie, de neige, de grésil ou de grêle ; fortes rafales de vent, localement jusqu’à 100 km/h, foudre et tornade. En vol, il faut craindre de fortes turbulences, des mouvements ascendants et descendants intenses jusqu’à 20 m/s. Alors pour votre sécurité, autant ne pas se faire prendre. Il faut s’éloigner au plus vite, car même si le vent souffle vers le nuage, le cumulonimbus peut prendre une route bien différente et s’approcher de vous. Si vous êtes à proximité, il faut chercher à vous poser le plus rapidement. Au sol, s’éloigner des objets métalliques, (clôtures) et ne pas s’abriter sous un arbre isolé à cause du risque de foudroiement.
Fig 11 : Forme et dimensions d’un cumulonimbus capilatus.
En résumé et je préfère insister, car c’est pour votre sécurité, il faut éviter de voler sous un Cumulonimbus ou trop près. Le nuage est trop souvent accompagné de phénomènes dangereux. Il faut systématiquement le contourner d’une distance minimum de 10 km. Inutile de vouloir passer dessus, il grimpe souvent jusqu’à plus de 8000 m. Si vous constatez au loin sur votre route une ligne de cumulonimbus qui barre l’horizon, n’insistez pas, faites demi-tour.
Fig 12 : Courants ascendants et descendant à l’intérieur d’un cumulonimbus capilatus.
Le front de rafales
Si malgré toutes mes recommandations il vous arrive de voler à proximité d’un cumulonimbus, je vous invite à la plus grande prudence surtout si le nuage arrive à proximité de votre aérodrome. Les précipitations intenses provoquent des mouvements descendants rapides, qui se forment le plus souvent à l’arrière de la masse nuageuse. Comme ils ne se superposent pas aux mouvements ascendants initiaux, ils ne vont pas les contrarier, mais les renforcer, contrairement au cas du cumulus congestus évoqué plus haut. Ces mouvements descendants forts peuvent s’étaler dans toutes les directions quand ils atteignent le sol. On peut craindre la formation de courants froids qui vont s’insinuer sous l’air chaud et plus léger. Au niveau du sol, le passage de l’air chaud à l’air froid se traduit par une brusque rotation des vents de 180 degrés. La vitesse des rafales qui suivent le passage du front peut atteindre jusqu’à 100 km/h. Le bord d’attaque de la masse d’air froid se situe entre 10 et 20 km à l’avant de la cellule orageuse. Cette distance est d’autant plus grande que :
- le jet d’air froid descendant se déplace obliquement,
- l’orage se déplace rapidement dans votre direction malgré des vents contraires,
- que des orages puissants se développent en lignes organisés.
Fig 13 : Formation d’un front de rafales, bien à l’avant du nuage d’orage. Attention, même si dans les basses couches le vent souffle vers le cumulonimbus, celui-ci, emporté par le flux d’altitude peut très bien se diriger vers vous.
Fig 14 et 15 : Le passage du front de rafales entraîne un brusque cisaillement de vent, rotation de 180 degrés.
Les courants descendants sous le nuages peuvent aussi plaquer un appareil au sol, que ce soit au décollage ou à l’atterrissage. Dans tous les cas s’abstenir. Car il vaut mieux regretter d’être au sol plutôt qu’en l’air.
Fig 16 : Effet d’une rafale descendante sur un ULM au décollage.