La généralité des orages

Le cumulonimbus est le roi des nuages, le seul à pouvoir occuper toutes les couches verticales de la troposphère* et pouvoir atteindre, voire dépasser, les 10.000 mètres de hauteur entre la base et le sommet.

Il est également le seul nuage à pouvoir produire des éclairs, et donc le seul nuage orageux à proprement parler.

Dans certaines situations bien particulières, il peut arriver que l’activité électrique d’un cumulonimbus soit très peu marquée, si peu marquée même que cette activité ne soit ni visible, ni audible pour l’observateur au sol. Cela dépend d’une part, du stade d’évolution du nuage (par exemple, au moment où celui-ci passe du stade de cumulus congestus au stade de cumulonimbus calvus) et d’autre part, de la période de l’année. En effet, en hiver, il peut arriver que le cumulonimbus ne produise que peu de manifestations électriques. Il y a plusieurs raisons à cela mais retenons principalement l’altitude de la tropopause*. En effet, celle-ci peut influer sur l’activité électrique d’un cumulonimbus.

Nous reviendrons plus en détail sur les raisons qui amènent à cela dans le chapitre consacré à la foudre.

Description et fonctionnement

Les orages multicellulaires sont, comme le nom l’indique, une multitude de cellules orageuses regroupées et qui ont une certaine interaction entre eux. Cependant, il n’est pas toujours aisé de faire la distinction entre des orages monocellulaires proches les uns des autres (sans pour autant interagir directement entre eux) et de « véritables » orages multicellulaires.

Il existe plusieurs types d’orages multicellulaires, allant de la simple association de plusieurs cellules orageuses au système convectif de méso-échelle, en passant par la ligne de grains.

Les orages multicellulaires ont une durée de vie plus longue que le simple monocellulaire et peuvent parcourir de plus grandes distances. Dans certains cas, ces orages peuvent s’accompagner de phénomènes sévères tels que de très fortes rafales de vent ou de la grêle.

Dans ce dossier, nous allons décrire les principaux types d’orages multicellulaires.

Ces orages sont parfois difficiles à classer mais pour plus de facilités, nous les avons classés en trois catégories distinctes:

• Les « clusters »
• Les systèmes convectifs de méso échelle (MCS)
• Les lignes de grains

Avant d’aller plus loin, il est bon de préciser que l’évolution des cellules orageuses en structures multicellulaires dépend avant tout de l’instabilité et des cisaillements des vents.

Système multicellulaire, en contexte de masse d’air froid, s’éloignant progressivement
de la région de Tohogne en province de Luxembourg, le 15 mai 2011

Les « clusters »

• Formation par propagation

Pour bien comprendre ce qui va suivre, une cellule orageuse est composée d’un courant ascendant et d’un courant descendant. Au départ, nous avons notre cellule orageuse qui va connaître les trois phases successives propres à tous les orages (formation, maturité, dissipation).

Lorsque la cellule atteint le stade de maturité, le courant descendant en atteignant le sol va créer un front de rafales permettant à l’air plus chaud environnant (par rapport à l’air froid issu du courant descendant) de se soulever.

Lorsque des cisaillements des vents verticaux sont présents, ceux-ci vont permettre d’éloigner les précipitations du courant descendant par rapport à l’emplacement initial de notre cellule. A la place, grâce aux forçages et à l’humidité apportés par le front de rafales, un nouveau courant ascendant pourra se former.

Si l’instabilité est suffisante, ce courant ascendant va continuer à se développer et au final, former une nouvelle cellule orageuse.

Si les conditions favorables se poursuivent, de nouvelles cellules continueront de se former.

Nous aurons donc plusieurs cellules orageuses qui vont se côtoyer, mais à des stades d’évolution différents.

 

• Formation par fusion des cellules orageuses entre elles

Il peut arriver que des cellules orageuses proches les unes des autres viennent se fusionner entre elles pour s’organiser en de véritables systèmes multicellulaires.

Les causes principales à cette fusion sont la présence d’une forte instabilité et d’un cisaillement des vents relativement faible, mais non nul.

 

Les systèmes convectifs de méso échelle

Dans la littérature américaine, ce genre d’orages n’est pas classifié comme un type d’orages bien défini, mais pour plus de clarté, nous avons préféré le classer dans une catégorie à part.

Système convectif de méso échelle arrivant au lever du soleil à Wormhout, dans le département du Nord en France le 15 août 2017

Ce genre est composé de différentes cellules orageuses de grande ampleur. On parle dès lors de MCS (système convectif de méso échelle) si la taille du système orageux dépasse les 80 km de diamètre ou de MCC (complexe convectif de méso échelle) si la taille du système orageux dépasse les 400 km de diamètre.Cette description n’est pas tout à fait exacte car on tient compte d’autres éléments pour classifier un MCS ou un MCC, mais nous ne nous y attarderons pas dans ce dossier généraliste.

Ces systèmes convectifs regroupent d’innombrables orages (dont certains peuvent être d’origine supercellulaire) qui, sous l’action de puissants forçages s’étalant sur une vaste zone, fusionnent entre eux pour ne former plus qu’un seul système convectif de grande taille.

Ces orages se forment le plus souvent dans le courant de l’après-midi et perdurent jusqu’au petit matin, tout en ayant parcouru des centaines de kilomètres.  Ils peuvent s’avérer potentiellement dangereux et sont parfois responsables de dégâts assez importants.

 

Les lignes de grains

Les lignes de grains sont un ensemble d’orages qui, sous l’effet combiné de forts cisaillements des vents et d’une instabilité modérée à forte, s’intensifient et se structurent « en ligne » assez rapidement, en fonction de la rapidité du flux directeur.

 

Ligne de grain débarquant de la mer du Nord près de Westkapelle en Zélande aux Pays-Bas, le 16 août 2020

Selon la nature des cisaillements des vents, la ligne de grains peut adopter plusieurs « formes », allant de la ligne de grains classique et linéaire jusqu’à l’écho en arc (ou Bow Echo en anglais). Cette dernière est nommée ainsi car elle prend, sur les radars, une forme courbée. Généralement, c’est sous les échos en arc que l’on observe les phénomènes les plus intenses, comme de violentes rafales de vent et parfois, des tornades.

En règle générale, plus les cisaillements des vents et l’instabilité sont forts, et plus la ligne de grains pourra évoluer rapidement en écho en arc.

Il existe également un autre type d’évolution d’une ligne de grains, c’est ce que l’on nomme le « LEWP ». Une telle évolution nécessite des conditions météorologiques bien précises, que l’on ne retrouve qu’assez rarement dans nos régions. Un LEWP prend sur les imageries radars, l’aspect d’une vague. Au sein de cette ligne, des supercellules peuvent se développer.

Enfin, même si ce n’est pas à proprement parlé une évolution proprement dite d’une ligne de grains, un derecho est nommé ainsi si, au passage du système orageux, certaines conditions  bien précises sont observées.  Ces conditions peuvent être des mesures de la vitesse du vent, des dommages observés ou la taille du système. Retenons simplement qu’un Derecho est une ligne de grains très puissante et de grande taille.

Description et fonctionnement

Les orages supercellulaires sont avant tout des orages monocellulaires, c’est à dire qui sont composés d’une seule cellule, ayant à la fois un courant ascendant (généralement très puissant) et deux courants descendants (situés à l’avant et à l’arrière de l’orage).

Pour pouvoir nommer une cellule orageuse un orage supercellulaire, il est nécessaire que celui-ci adopte certaines caractéristiques bien précises. La plus importante est la présence en son sein d’un mésocyclone *. A partir du moment où l’on confirme la présence d’un mésocyclone, d’autres conditions sont requises pour pouvoir classer un cas en supercellule, comme par exemple la durée de rotation du courant ascendant (qui doit être de trente minutes minimum).

Pour qu’un orage « ordinaire » évolue en supercellule, il faut impérativement avoir la présence de plusieurs conditions météorologiques spécifiques, que l’on ne rencontre généralement que quelques fois par an en Belgique par exemple. Ce qui fait que ce type d’orages reste relativement rare dans nos contrées.

Ces conditions météorologiques sont les suivantes:

• La présence de cisaillements des vents dits « tournants »*
• Une instabilité suffisante
• Généralement, la présence d’une couche d’inversion à une altitude oscillant entre 600 et 1200 mètres, faisant office de « couvercle »
• Un élément déclencheur capable d’amener la convection à percer l’inversion

Ces conditions bien précises vont amener l’orage à se structurer assez rapidement et produire en son sein le développement d’un mésocyclone. Nous reviendrons plus en profondeur sur le fonctionnement d’un mésocylone un peu plus loin.

La présence de cisaillements des vents va également permettre à la colonne d’alimentation de rester à l’écart des précipitations issues du courant descendant principal. A propos de courants descendants, nous avons rapidement décrit qu’un orage supercellulaire était composé de deux courants descendants, nous y reviendrons.

Pour l’instant, attardons nous sur l’évolution de l’orage en supercellule.

Alors que le vent souffle nettement plus fort en altitude qu’en basses couches, la colonne ascendante s’incline progressivement. Les précipitations du courant descendant commencent alors à sévir à l’avant de l’orage car les hydrométéores dp,y poussés par le flux d’altitude. Ainsi, après un certain temps, le courant descendant occupe une grande partie avant de l’orage tandis que le courant ascendant occupe la partie arrière.

Mais un autre courant descendant va progressivement se développer à l’arrière du courant ascendant. Les conditions qui mènent à cela sont assez nombreuses et très complexes. De ce fait, nous n’allons pas nous attarder sur ces raisons dans ce dossier généraliste. Précisons cependant que le courant descendant arrière (ou RFD) a une importance capitale dans le développement, mais surtout dans l’intensification d’une tornade, nous reviendrons sur cette dernière un peu plus loin.

Au final, les conditions météorologiques vont amener l’orage supercellulaire à perdurer nettement plus longtemps qu’un orage « ordinaire » car le courant ascendant, qui est en quelque sorte le moteur de l’orage, pourra persister aussi longtemps que les conditions y demeureront propices.
La présence de cisaillements tournants va progressivement induire une rotation au nuage orageux, et plus précisément au courant ascendant. Cela conduit au développement d’un mésocyclone, terme que nous avons déjà utilisé en début de chapitre. La présence d’un mésocyclone est indispensable pour la formation future d’une tornade.

Orage supercellulaire particulièrement structuré transitant par la région de Boekhoute
en province de Flandre Occidentale, le 10 septembre 2011

Les tornades

A présent, intéressons nous un instant sur le développement des tornades. Bien que d’autres orages sont capables de produire des tornades, celles issues des orages supercellulaires pourront persister généralement assez longtemps et pourront être d’une intensité plus élevée que celles issues d’autres types d’orages.

Pour qu’une tornade se développe, il faut non seulement la présence d’un mésocyclone mais en outre, des conditions météorologiques bien particulières et très locales sont nécessaires. Nous avons rapidement indiqué plus haut que le courant descendant arrière (ou RFD) avait  une réelle influence sur le développement et surtout sur l’intensification d’une tornade. Sans rentrer dans les détails, le RFD apporterait dans les environs du tourbillon initial des conditions qui aideraient ce dernier à se structurer et à se renforcer.

A noter qu’un dossier spécialement dédié aux tornades revient plus en détail sur tout cela à l’adresse suivante: Dossier sur les tornades

Les différentes types de supercellules

Les conditions météorologiques dans lesquelles un orage supercellulaire sévit vont grandement contribuer à l’évolution de celui-ci. En effet, si un orage supercellulaire évolue dans un contexte plutôt sec, ce dernier aura une structure différente par rapport à un orage qui évolue dans un contexte initial nettement plus humide.

A partir de là, on va classer les orages supercellulaires en fonction des conditions météorologiques. Attention cependant, il n’est pas rare qu’un orage puisse passer d’un type à un autre. En effet, la cellule va elle même créer des conditions bien particulières qui pourront l’amener à évoluer.

• Les supercellules dites « LP »

Ces orages vont se développer dans un contexte atmosphérique plutôt sec. Bien qu’assez rarement observé dans nos contrées, ce type d’orages reste redoutable surtout pour les chutes de grêlons énormes qui peuvent se produire.

• Les supercellules dites « classiques »

Ce sont les orages supercellulaires que l’on rencontre le plus souvent dans les Grandes Plaines américaines. Ces orages peuvent s’accompagner de fortes chutes de grêle, de violentes rafales de vent mais aussi de tornades parfois puissantes. En Belgique, le peu de recherches sur le sujet ne permet pas de certifier que ce type de supercellules est le plus « courant » dans nos contrées.

• Les supercellules dites « HP » (ou fortes précipitations)

Ces orages sont sans nul doute les plus « dangereux », car les tornades sont souvent noyées dans les précipitations. En outre, comme le nom l’indique, ce type d’orages s’accompagne souvent de précipitations diluviennes. Le risque de violentes rafales descendantes est également bien présent avec ce type d’orages.

Orage supercellulaire transitant par la région de Callengeville au sein du département
de la Seine-Maritime en France, le 7 août 2018.

Reconnaître les supercellules au radar et sur le terrain

Si de nombreux cas d’orages supecercellulaires observés adoptent des caractéristiques bien particulières au radar, ce n’est malheureusement pas toujours le cas. Pour permettre une classification, il est nécessaire d’avoir suffisamment d’éléments qui attestent l’évolution de l’orage en supercellule.

Le plus important étant la présence d’un dipôle de vitesses radiales sur les imageries radars Doppler. Malheureusement, nous ne disposons pas toujours de telles images. A partir de là, d’autres éléments peuvent étayer l’hypothèse d’une évolution supercellulaire:

• Présence d’un écho en crochet net et persistant positionné généralement sur le flanc arrière de l’orage
• Durée de vie de l’orage pouvant dépasser les deux à trois heures
• Une division de la cellule orageuse initiale avec un élément qui se dirige vers la droite par rapport au fluxmoyen et un autre qui se dirige vers la gauche
• La présence d’une entaille en V à l’avant de l’orage etc…

Sur le terrain, c’est généralement plus compliqué. En effet, comme nous l’avons vu précédemment, on ne peut nommer un orage supercellulaire que si l’on atteste la présence d’un mésocyclone. Ainsi, la classification en oragesupercellulaire sur le terrain sera, en quelque sorte, laissé à l’appréciation de la personne qui observe l’orage.

Cependant, certains éléments visuels particuliers peuvent permettre d’identifier une évolution supercellulaire.

En voici quelques uns:

• Présence d’un nuage mur rotatif sous la base de la colonne ascendante
• Présence d’une enclume épaisse et bien structurée
• Colonne ascendante inclinée et parfois torsadée
• L’essentiel de l’activité électrique se faisant sur la partie avant de l’orage

Les orages préfrontaux se forment généralement à l’avant d’un front froid, et plus précisément au passage d’une ligne de convergence préfrontale sur laquelle les orages vont se développer.

Ces orages peuvent être forts, voire violents si l’instabilité est forte et que la dynamique atmosphérique est bien marquée.

En Belgique, c’est très souvent au passage d’une ligne de convergence préfrontale que l’on observe les dégradations orageuses les plus marquées (les systèmes convectifs de méso échelle par exemple).

Les orages frontaux sont généralement observés en période hivernale. Au printemps ou en été, le passage d’une ligne de convergence à l’avant du front amène le développement des orages, ce qui fait qu’au passage du front, il ne reste généralement plus beaucoup d’instabilité pour permettre le développement d’autres foyers orageux.

En période hivernale par contre, les lignes de convergence préfrontale sont plus rares. Les orages se développent le plus souvent au passage du front lui même. Ces orages peuvent parfois s’accompagner de phénomènes venteux vigoureux.

La grêle est sans aucun doute l’un des phénomènes météorologiques les plus redoutés. En effet, chaque année, des dégâts sont observés en Belgique suite à ce phénomène. La taille des grêlons peut en effet atteindre, voire dépasser dans certains cas les 3 à 5 cm.

Les carrosseries des voitures, les serres, les vergers ou encore les vérandas paient un lourd tribu à ces chutes de grêle.

La formation de la grêle découle des conditions présentes au sein même du nuage orageux. Il est désormais acquis que la formation et la taille des grêlons dépendent non seulement de la vigueur du courant ascendant, mais également de la durée à laquelle les hydrométéores (dans ce cas-ci des particules de glace) circulent au sein du courant ascendant.

Un dossier spécifique a été élaboré sur la grêle via le lien suivant: La grêle

Chutes de grêlons de 3 à 4 cm de diamètre associés au passage d’un orage multicellulaire particulièrement intense vers la région de Journal en province de Luxembourg, le 9 juin 2014

Les vents violents peuvent provoquer des dégâts à la végétation et aux habitations. Ceux-ci sont souvent provoqués par le passage d’un front de rafales, voire d’une rafale descendante*.

C’est d’ailleurs sous l’effet de ces dernière que les dégâts peuvent être très importants, comme par exemple à Ciney après le passage de virulentes rafales descendante en date du 14 juillet 2010.

 

Les fronts de rafale

Comme son nom l’indique, le front de rafales est en quelque sorte un « front » venteux à l’avant de l’orage, qui sépare l’air froid et humide issu du courant descendant de la cellule, de la masse d’air environnante. Cette séparation thermique peut amener la survenue de violentes rafales de vent.

Parfois, le front de rafales est matérialisé par un arcus. En effet, l’air froid et humide issu de l’orage rencontre l’air plus chaud environnant, forçant ce dernier à se soulever. En se refroidissant, il va former un nuage très bas que l’on nomme arcus.

Selon leur forme, on peut classer les arcus. Il existe par exemple l’arcus tabulaire, l’arcus en rouleau ou encore l’arcus multicouches.

 

Vue panoramique d’un front de rafales soulevant la poussière de la mine de lignite d’Elsdorf en Rhénanie-du-Nord-Westphalie en Allemagne, le 19 mai 2022

Les rafales descendantes

Les rafales descendantes sont des courants aériens froids et humides issus du courant descendant qui, sous l’effet de leur propre poids, s’écrasent au sol. En s’écrasant au sol, les vents violents vont se propager dans toutes les directions, mais auront une vitesse de propagation plus élevée dans le sens de déplacement de l’orage.

Les explications à la formation des rafales descendantes sont nombreuses et assez (même très) complexes. Nous abordons tout cela plus en détail tout cela dans un dossier spécialement consacré à ces phénomènes et visible à l’adresse suivante: Les rafales descendantes

Sachez simplement que ces vents violents sont non seulement un danger pour l’aviation (car les rafales descendantes peuvent déstabiliser un avion au décollage ou à l’atterrissage) mais en outre, les plus fortes d’entre elles peuvent provoquer d’importants dégâts aux arbres, aux toitures etc… Contrairement à ce que l’on pourrait croire, les rafales descendantes sont même les phénomènes venteux qui produisent le plus de dégâts importants dans nos contrées.

RFD (‘Courant descandant de flanc arrière’ en Français) produit par un orage supercellulaire HP (‘Précipitation intense’ en Français).
Prise de vue effectuée dans la région de Brad dans l’état du Texas, le 26 mai 2015 à 17h17

Il existe deux principaux types de rafales descendantes; les sèches et les humides.

Sans rentrer dans les détails, les rafales descendantes sèches se produisent lorsque l’air des basses couches est relativement sec. Cette sécheresse va en partie évaporer les précipitations issues du courant descendant. Bien que peu courantes chez nous, ces rafales sont dangereuses car généralement « invisibles ».

Les rafales descendantes humides, bien plus communes dans nos contrées, se produisent lorsque l’air des basses couchesest très humide, voire saturé. Lorsque les rafales atteignent le sol, un déluge de pluie accompagne le vent violent.

On peut aussi classer les rafales descendantes selon la taille d’impact du phénomène au sol. Lorsque la largeur du couloir d’impact ne dépasse pas les 4 km, on parle de « microrafale ». Lorsque la largeur dépasse les 4 km, on parle de « macrorafale ».

Au sein même des couloirs d’impacts peuvent émerger des couloirs plus petits, mais dont l’intensité du vent est nettement plus élevée. On nomme ces couloirs des « burst swarth ».

Ces couloirs sont si étroits (parfois quelques dizaines de mètre) que cela peut faire penser au passage d’une tornade.

Les tornades sont les phénomènes météorologiques les plus intenses au monde. Elles peuvent provoquer d’importants dégâts, voire dans des cas extrêmes, détruire totalement des habitations.

Ces phénomènes sont produits par les orages. Les plus fortes d’entre elles sont issues d’orages puissants, généralement d’origine supercellulaire.

Leur mode de formation va différer selon leur nature. On classe généralement les tornades en deux types:

• les tornades d’origine mésocyclonique
• les tornades qui ne sont pas d’origine mésocyclonique

Nous n’allons pas aller plus loin sur la formation des tornades dans ce dossier généraliste mais pour les personnes qui désirent en savoir plus, nous vous invitons à vous rendre via ce lien: Généralités des tornades

Notons que dans ce lien, le dossier qui y est associé présente de nombreux termes techniques.

 

Courant ascendant d’un orage supercellulaire classique produisant une tornade.
Prise de vue effectuée dans la région de Simla dans l’état du Colorado, le 04 juin 2015 à 18h34

Pour revenir sur quelques caractéristiques, on sait que la foudre, aussi appelé, arc-en-retour, se propage du sol vers le nuage à une vitesse d’environ 40.000 km/s et que sa température atteint les 30000 degrés Celsius.
Pendant que la foudre se propage, elle chauffe très rapidement l’air environnant, la brusque détente de l’air dû à cet échauffement crée une onde de choc qui ne tarde pas à se transformer en ondes sonores que nous percevons et nommons « tonnerre ». Celui-ci est la résultant de l’émission de l’énergie acoustique.

Puisque la lumière se propage à une vitesse plus grande que celle du son, on voit l’éclair avant d’entendre le grondement du tonnerre. Cela signifie que si l’éclair visible est rapidement suivi du tonnerre audible, la foudre s’est déclenchée à proximité.

Lorsqu’un éclair se produit, il existe un moyen simple et rapide d’estimer sa distance par rapport à notre position. En effet, comme nous l’avons vu, la vitesse de la lumière se déplaçant plus vite que le son, nous apercevons l’éclair avant de l’entendre. Chaque seconde qui est comptée entre le moment où l’on voit l’éclair et le moment ou l’on entend le tonnerre représente grosso modo 300 mètres. Cela veut dire que si on compte, par exemple, 30 secondes d’écart, la distance doit être d’environs 9 km.

Par ailleurs, les ondes sonores sont absorbées par l’air au fur et à mesure que celles-ci progressent dans l’atmosphère. Une des propriétés de ce phénomène constitue en une annihilation plus prononcée des sons aigus que des sons graves. Ainsi, un coup de foudre lointain semble beaucoup plus sourd qu’un autre plus proche.
D’ailleurs, on remarque aussi un claquement nettement plus sec lors de l’émission d’un coup de foudre à proximité, cela étant dû aux propriétés directionnels des sons aigus et de la proximité d’un des segments de l’arc-en-retour vis-à-vis de l’observateur.

Enfin, on retiendra que ce n’est pas parce que l’orage est assez lointain que nous sommes à l’abri d’un coup de foudre. En effet, les éclairs peuvent frapper à plusieurs kilomètres de distance de l’orage, cela prévalant surtout pour les coups de foudre positifs qui s’avère, de plus, être les plus puissants.

Les nuages orageux (cumulonimbus) sont de véritables accumulateurs électriques. La cause vient directement de la composition du nuage et de ses précipitations. Ainsi, les différentes particules qui composent l’ensemble sont de deux ordres :

• Les particules lourdes (les grêlons, les gouttelettes d’eau, le grésil)
• Les particules légères (les particules de glace)

Plus d’une dizaine de théories existent actuellement pour expliquer l’électrisation des nuages. Parmi celles-ci, deux théories principales trônent sur les autres, ce sont celles dites de la « gravitation » et de la « convection« . La première étant davantage retenue pour le moment, celle-ci a été choisie pour être détaillée dans ce dossier.

Coups de foudre frappant les grues portuaires de Zeebrugges durant le passage d’une ligne de grain, le 24 janvier 2014.
De nombreux traceurs ascendants démarrant des aspérités sont d’ailleurs visibles.

Dans un nuage orageux, la puissance des courants ascendants et descendants vont engendrer des collisions entre les différentes particules. Lorsqu’elles se heurtent, les particules lourdes se chargent négativement tandis que les particules légères se chargent positivement. On a donc affaire à une triboélectricité par contact. Cependant, il existe une exception pour les particules de grésil qui se chargent positivement au-dessus de -15 degrés Celsius et négativement en-dessous de cette température.
Comme les particules les plus lourdes tombent plus facilement que les autres, elles chargent la partie moyenne et basse du nuage en charges négatives. Dans cette dernière, nous trouvons régulièrement une poche de particules chargées positivement dû à la propriété du grésil.
Nous avons donc un tripôle où la partie supérieure du nuage orageux est composée de charges positives et où la partie moyenne et inférieure du nuage est composée de charges négatives avec la présence d’une poche positive.

Différents types d’éclairs peuvent se produire durant un orage, nous avons ainsi 4 types de décharges atmosphériques. Ces décharges sont dénommées selon leur situation dans l’espace et les points d’impacts.
Nous avons ainsi, les éclairs « intranuageux », « internuageux », « extranuageux » et « nuage-sol », ces derniers étant communément appelés « coups de foudre« . Enfin, en ce qui concerne les éclairs « nuage-sol », on en distingue encore 4 types suivant la polarité et la provenance du traceur qui sera à l’origine de la décharge de foudre. Dès lors, nous avons, les coups de foudre « ascendant positif », « ascendant négatif », « descendant positif » et « descendant négatif » (Tous ces types d’éclairs sont décrits dans le point suivant.)
Pour détailler la genèse d’un coup de foudre, nous choisirons ici, le coup de foudre descendant négatif, ce type de coup étant le plus rencontré dans nos régions.

Lorsque le nuage est chargé, le sol réagit en se chargeant à son tour positivement au passage de l’orage. Ce phénomène est une réaction vis-à-vis des charges négatives de la couche moyenne du nuage. La petite poche positive de la base du nuage n’est en effet pas suffisamment ample que pour prédominer sur la zone négative.

La foudre est, comme nous l’avons vu précédemment, une décharge électrique atmosphérique. En fait, les charges opposées s’attirent mutuellement mais l’air ayant une propriété isolante en empêche habituellement le transfert électrique. Il ne se passerait donc rien si ce n’est qu’à un moment donné, l’attraction de ces charges se fera si forte que notre isolation ne pourra plus les empêcher de se rejoindre laissant ainsi se produire la décharge électrique impulsionnelle.

En prenant par exemple, le coup de foudre descendant négatif, celui-ci aura comme phénomène précurseur, un cheminement quasi invisible constitué par des charges négatives du nuage se propageant dans l’air en direction du sol où règnent les charges positives. Ce cheminement formant un sillon segmenté est appelé « traceur ».
C’est ce phénomène qui détermine la nature du coup de foudre qui sera ici « descendant négatif » puisque le traceur se dirige du nuage vers le sol et est de polarité négative.

Coups de foudre simultanés frappant les éoliennes de Heiderscheid au Luxembourg, le 29 avril 2018.

Tandis que ce traceur se dirige aléatoirement vers le sol, le champ électrique au niveau de la surface augmente considérablement jusqu’à atteindre 500 kilovolts par mètre. À ce moment là, un autre traceur (positif cette fois) montant de cette région va à sa rencontre.
Lorsque les deux traceurs se rejoignent, la liaison entre le nuage et le sol est complète et la décharge, donc l’arc en retour, a lieu et constitue l’éclair proprement dit.
Enfin, on ajoutera que lorsque l’on définit un coup de foudre par les termes « ascendant négatif » ou « descendant positif » etc, cela ne concerne que les propriétés du traceur ayant engendré le coup, le courant principal d’un coup de foudre se déplaçant toujours du sol en direction du nuage.

Enfin, un élément important à retenir et qui se manifeste dans tous les cas où se forme un éclair est la présence d’un « craquement » généré durant la réception des ondes hertziennes radios. Appelés atmosphériques ou siffleurs, ceux-ci sont provoqués par la perturbation électromagnétique que les éclairs engendrent durant leur courte existence et est plus ou moins perceptible suivant la proximité de l’éclair et de la fréquence utilisée de sorte qu’au plus l’éclair est proche, au plus le craquement se fera entendre, de même qu’au plus la fréquence est basse ( ondes AM ) au plus le récepteur sera sensible aux craquements.

Les éclairs se divisent en quatre catégories principales, ces dernière se caractérisant par la situation spatiale de l’arc électrique et de ses jonctions. Ainsi, on pourra observer des éclairs de types intranuageux, internuageux, extranuageux et nuage-sol, ce dernier pouvant encore être subdivisé en quatre sous-catégories selon la provenance et la polarité du traceur qui donnera naissance au coup de foudre proprement dit.

L’éclair intranuageux

Nous savons que lorsque le cumulonimbus a terminé de constituer ses champs électriques, la partie supérieure du nuage est composée de charges positives tandis que la majeure partie moyenne et inférieure sont composées de charges négatives ; une infime partie de la base étant chargée positivement.
La proximité de ces champs permet l’obtention d’une décharge à l’intérieur même du nuage orageux, formant dans ce cas-ci, un éclair intranuageux.

De nuit, un observateur au sol voit une lueur plus ou moins forte parcourir le nuage avec un grondement sourd alors que de jour, ces éclairs ne sont que peu ou pas perceptibles, leur présence étant trahie par le grondement du tonnerre.
Ce type de décharge s’avère être la plus courante dans un orage, c’est d’ailleurs même le premier genre d’éclair qui se présente lorsque l’électrisation de l’orage est terminée et qu’il entre en phase de maturation. D’ailleurs, on observe régulièrement une durée d’un quart d’heure entre les premières manifestations des éclairs intranuageux et le premier coup de foudre au sol.

Orage monocellulaire associé à une ligne convective transitant par la région de Breskens
au sein de la province de Zélande aux Pays-Bas, le 24 août 2018

Enfin, ces éclairs peuvent se manifester avec une fréquence temporelle très élevée surtout dans les orages les plus actifs, cela étant dû à un brassage intensif des constituants du nuage. Ainsi, des fréquences temporelles de l’ordre de 3 éclairs par seconde ont déjà été observées en Belgique lors du passage d’un MCS, le 26 mai 2009 et d’un orage supercellulaire, le 10 septembre 2011.
Lorsque ce genre de phénomène se produit de nuit, l’environnement baigne littéralement dans une ambiance stroboscopique.

L’éclair internuageux

Lors d’une formation orageuse de type multicellulaire, on observe une concentration d’orage assez importante dans un espace relativement restreint (les cumulonimbus entrent en contact les uns avec les autres). Dès lors, des décharges électriques peuvent survenir entre la région négative d’un orage pour rencontrer l’environnement positif d’un autre cumulonimbus. Ces éclairs traversant souvent de l’air libre entre les deux points concernés donnent lieux à des arcs apparents dans le ciel.
Comme dit précédemment, ce genre d’éclair apparaît très souvent dans les systèmes multicellulaires et peuvent même atteindre des longueurs remarquables (+/- 20 km voire plus) dans les systèmes orageux très étendus comme les MCS et MCC.

Éclair internuageux surgissant d’un orage multicellulaire vers la région d’Ostende
en province de Flandre Occidentale, le 30 août 2015

L’éclair extranuageux

L’éclair extranuageux constitue un genre particulier. En effet, comme son nom l’indique, celui-ci va sortir partiellement du nuage à plus ou moins mi-hauteur pour y rentrer ensuite, formant une sorte de boucle dans l’air à proximité du flanc de l’orage. Dans quelques cas, il arrive que l’éclair s’évanouisse dans l’air. Un observateur observe alors un arc électrique semblant s’échapper du nuage pour aller « nulle part ».
Enfin, dans le cas des coups de foudres, les coups de foudre descendants négatifs se produisant entre la partie moyenne du cumulonimbus et le sol peuvent parfois sortir de l’un des flancs du cumulonimbus avant de rejoindre le sol, ce qui lui donne l’attribut de « coup de foudre extranuageux ».

Par ailleurs, il arrive que des décharges extranuageuses puissent apparaître sous la cellule orageuse. Cela se produit lorsque l’arc se produit entre la poche positive de la base et les charges négatives de cette même base. Un observateur au sol verra dans ce cas-là, un éclair sortir d’un endroit du nuage pour y rentrer ailleurs ; ce phénomène faisant davantage penser aux éclairs internuageux.

Éclair extranuageux se manifestant non loin de la région de Fort Stockton dans l’état du Texas aux États-Unis, le 31 mai 2019

L’éclair nuage-sol

La décharge nuage-sol, communément appelée « coup de foudre« , représente probablement le type d’éclair le plus populaire. En effet, ce genre d’éclair est non-seulement l’unique du genre à pouvoir être observé au plus près par un observateur sur le terrain mais c’est également celui qui s’avère être le plus puissant autant au niveau du courant, de la tension et des perturbations électromagnétiques qu’au niveau du coup de tonnerre provoqué par la chaleur générée.

En effet, il arrive que l’on puisse assister à de véritables détonations faisant vibrer l’environnement, à des départ d’incendies ainsi qu’à la destruction d’appareils électroniques sensibles au rayonnement électromagnétique. Vu d’un côté plus artistique, c’est aussi le genre d’éclair qui est le plus convoité par les traqueurs d’orages sans cesse en quête du plus beau trophée.

D’un point de vue physique, l’éclair de type nuage-sol caractérise une décharge ayant eu lieu entre le nuage et le sol lui-même que ce soit à partir d’un terrain plat ou d’une aspérité effilée telle une antenne de télévision.
Selon le genre d’éclair nuage-sol, on peut atteindre des intensités de courant électrique allant de 2000 Ampères à 500.000 Ampères, ce dernier cas étant très rare et réservés au coups positifs généralement plus puissants que les coups négatifs.

En pratique, on dénombre quatre genre d’éclair nuage-sol selon la polarité et la provenance du traceur qui donne naissance au coup de foudre. On observe ainsi, les coup de foudre « descendant négatif », « descendant positif », « ascendant positif », et « ascendant négatif ».

• Le coups de foudre descendant négatif

Cette catégorie de décharge nuage-sol représente à elle seule 90% des coups au sol dans nos contrées. Comme son nom l’indique, elle est issue d’un traceur de polarité négative qui est descendu du nuage à la rencontre d’un autre traceur, positif cette fois, à quelques dizaine voire centaine de mètres du sol. Son intensité électrique équivaut un peu près à 20 000 Ampères dans nos régions mais peu allègrement dépasser les 100 000 Ampères dans certains cas.

Éclair nuage-sol (coup de foudre) descendant négatif se manifestant vers la région de Ciney en province
de Namur, le 20 septembre 2014. Celui-ci s’est produit suite à la survenue d’un éclair internuageux.

• Le coup de foudre descendant positif

Cette catégorie de décharge nuage-sol reste assez rare dans nos contrées et demande à ce que certains paramètres soient présents pour qu’elle puisse survenir. Issue d’un traceur descendant positif, cet éclair proviendra souvent de l’enclume de l’orage puisque c’est dans cette région que sont agglutinées les charges positives.
Cependant, celle-ci étant très éloignée du sol, il faudra qu’une différence de potentiel importante règne entre le sol (chargé négativement ce cas-ci) et la zone supérieure pour qu’un traceur puisse être initié et se dirige vers le sol.

Éclair nuage-sol (coup de foudre) descendant positif surgissant à l’avant du courant ascendant d’un orage supercellulaire vers la région de Callengeville au sein du département de la Seine-Maritime en France.
Un éclair internuageux assez court et typique accompagne ce genre de coup de foudre.

En général, ce genre de coup de foudre arrive plus fréquemment en hiver étant donné que l’enclume des orages se retrouve bien plus basse qu’en été. Ils peuvent également avoir lieu lorsque le cumulonimbus approche de sa phase dissipative quand les ions positifs tentent de descendre dans les couches moyennes du nuage.
D’un point de vue électrique, un coup de foudre descendant positif possède une intensité dépassant assez facilement les 100 000 Ampères et constitue le coup qui peut atteindre les 500 000 Ampères.

À côté des coups de foudre issus à partir de traceurs descendants, on observe d’autres coups provenant de traceurs ascendants. La particularité principale de ces éclairs consistent en une orientation des ramifications vers le haut contrairement aux éclairs descendants dont on est habituellement témoins.

• Le coup de foudre ascendant positif

Cette catégorie de décharge nuage-sol est assez rare et suscite la présence d’une haute et fine aspérité pour permettre l’émergence d’un traceur positif en direction du nuage. En effet, pour qu’un traceur puisse se développer à partir du sol, une énergie importante doit amener les ions, positifs dans ce cas-ci, à réaliser un cheminement de très longue distance vers le haut.
Étant donné que les structures effilées sont à même d’accentuer le champs électrique environnant, c’est à partir de celles-ci que pourra émerger un tel traceur.

Quand l’arc-en-retour se présente, on observe l’étrangeté de voir les différentes ramifications (qui ne sont autres que des subdivisions du traceur positif ascendant) dirigées vers le haut alors que l’on a davantage « l’habitude » de voir des ramifications allant vers le bas. Ce type de coup peut être très intense et fait partie des coups les plus observés lors d’essais expérimentaux de tirs de fusées.

Double coup de foudre ascendant positif démarrant des éoliennes de la région de Roscoe dans l’état du Texas aux États-Unis, le 23 mai 2013

 

• Le coup de foudre ascendant négatif

Cette catégorie de décharge nuage-sol est très rare et suscite, comme le cas précédent, la présence d’une haute et fine aspérité pour permettre l’émergence d’un traceur négatif en direction de l’enclume du nuage. Effectivement, pour qu’un traceur puisse se développer à partir du sol jusqu’au niveau de l’enclume de l’orage, là où règnent les ions positifs, l’énergie demandée est considérable. Seules les très hautes structures effilées où des pics montagneux sont à même de pouvoir générer de un tel traceur.

Comme le cas précédent, lors de l’apparition de l’éclair, les ramifications de la décharge apparaissent dirigées vers le haut, la base se situant à l’endroit où est né le traceur ascendant négatif.

Enfin, quelques traits physiologiques peuvent constituer des caractéristiques supplémentaires, cela se faisant à partir de la forme de l’arc-en-retour lui-même. On trouve ainsi, trois traits principaux:

• Les éclairs fulminants

Ce sont des éclairs prenant la forme de sillons qui ne sont ni rectilignes ni en zigzag, mais courbés avec des arrondis graduels.

• Les éclairs ramifiés

Ce sont des éclairs se subdivisant en plusieurs branches autour d’un axe principal.

• Les éclairs sinueux

Ce sont des éclairs ayant de nombreux traits et segments assez apparents.

La foudre peut tuer ou blesser. En France, on cite ainsi le chiffre de 40 tués par an. Outre le risque humain, la foudre peut provoquer d’importants dégâts aux habitations ou à la végétation. De même, les animaux paient un lourd tribu à la foudre.

Contrairement aux idées reçues, la foudre ne s’abat pas toujours sur les points les plus hauts mais, bien entendu, il faut éviter de se retrouver soi-même une cible privilégiée de l’orage.

Silo de pétrole embrasé par un coup de foudre puissant lors du passage d’une ligne de grain à Roswell dans l’étant du Texas aux États-Unis, le 3 juin 2019

Voici d’autres conseils très utiles :

• Ne pas courir sous un orage
• Ne pas s’abriter sous un parapluie
• Si vous êtes en voiture, adaptez votre vitesse (surtout sur autoroute)
• Eviter de se retrouver en dessous des arbres ou des poteaux électriques
• Eviter de rouler à vélo ou de conduire un tracteur sans cabine hermétique
• Se tenir accroupi par terre afin de limiter sa hauteur et le contact avec le sol au maximum

Description

La foudre en boule serait un phénomène électrique atmosphérique observé par certains témoins durant les orages.

Il se présenterait sous la forme d’une sphère lumineuse dont le comportement ne semblerait pas déterminé par le milieu extérieur. Il posséderait des caractéristiques (mouvement, lumière, apparence, disparition) qui en font un phénomène électrique à part et encore bien mystérieux.

Apparition du phénomène

Depuis longtemps, la foudre en boule est resté un phénomène inexpliqué et de nombreuses théories se sont succédées jusqu’à nos jours.

Deux chimistes néozélandais John Abrahamsson et James Dinniss ont émis une nouvelle hypothèse parue en 2000.

En examinant les témoignages, les deux chimistes se rendent compte que les terrains où survient ce genre de phénomènes sont généralement assez boisés. Or, qui dit arbre suppose l’existence de composés carbonés. En effet, toute la chimie des organismes vivants est fondée sur les réactions qui mettent en jeu des atomes de carbone.
Bien sûr, ces atomes sont souvent associés à d’autres : hydrogène, oxygène ou encore azote, pour former de grosses molécules en chaîne appelées « molécules organiques ».

Les deux chimistes en déduisent qu’à chaque fois que la foudre en boule se manifeste, le carbone est bien présent mais cela n’explique en rien pourquoi le phénomène apparaitrait plus en zone boisée. Tout d’abord, les racines des arbres sont bien ancrées dans le sol. Or, si le vivant a une chimie à base de carbone, l’élément fétiche du règne minéral est le silicium.

Les 2900 premiers kilomètres de notre globe ne comportent que des silicates, dont la forme la plus simple est la silice pure alias le grain de sable : des molécules formées de l’association de deux atomes d’oxygène et d’un atome de silicium (SiO²).
Résultat, à part le carbone, la silice est aussi impliqué dans le phénomène même si le sol des forêts contient jusqu’à deux fois plus de carbone que de silice. Or, deux fois plus de carbone que de silice produit du silicium pur à partir du moment où la température nécessaire à ce processus atteint au moins 1700 degrés Celsius.
Dans la nature, seule la foudre est capable de produire une telle fournaise.

En clair, lorsque la foudre touche le sol, elle pénètre dans la terre sur plusieurs millimètres et le silicium présent est éjecté dans l’air. Les particules en suspension s’oxydent et brûlent lentement. L’énergie accumulée dans l’air se dégage sous forme de chaleur et de lumière.

Malheureusement, ce n’est qu’une des nombreuses théories et, pour l’instant, cette théorie n’est pas validée par le monde scientifique.

Nombreux sont les scientifiques qui ont tenté de produire le phénomène en laboratoire et seuls quelques uns d’entre eux sont parvenus à le recréer partiellement. C’est le cas du hollandais Gérard C. Dijkhuis qui a obtenu, en 1985, une boule de 10 centimètres de diamètre.

L’américain Robert Golka a assemblé 20 accumulateurs de 25 000 ampères montés en série et, en provoquant un court-circuit, il a obtenu des phénomènes de l’ordre de quelques millimètres qui semblaient comparables à de la foudre en boule.
Selon sa théorie, lorsqu’un éclair frappe une cible, la chaleur émise va détacher quelques particules minuscules qui sont en partie vaporisées et soulevées par un coussin de gaz incandescent. On obtient alors de la vapeur métallique qui tourbillonne à très grande vitesse, en général autour d’une minuscule gouttelette de métal liquide de la taille d’un grain de sucre qui peut donner une boule de feu de 6 millimètres.

Cependant, à l’heure actuelle, aucune théorie n’a permis de mettre à jour de façon certaine le fonctionnement de la foudre en boule.

Le seul nuage orageux existant est le cumulonimbus. Mais avant de devenir le roi des nuages, il va tout d’abord commencer son développement en tant que cumulus et ensuite, si les conditions lui sont favorables, évoluer en cumulonimbus.

Les cumulus médiocris

Ces nuages sont de type cumulus. Ils nécessitent une instabilité de l’air pour se développer. Ils peuvent évoluer en cumulus congestus si aucune inversion de subsidence* ne les arrête.

Les cumulus congestus

Les cumulus congestus sont des nuages qui se développent lorsque règne une atmosphère humide et instable. Ils représentent le stade intermédiaire entre les cumulus et les cumulonimbus.

Les cumulonimbus calvus

Ce type de nuage représente le premier stade de développement du cumulonimbus proprement dit. Il peut, si les conditions d’instabilité se maintiennent, que ce soit au sol ou en altitude, devenir un cumulonimbus capillatus.

Les cumulonimbus capillatus

Le cumulonimbus capillatus est le dernier stade de développement du nuage orageux. Le nuage atteint donc la limite supérieure de son développement et va commencer à s’étaler sous la tropopause (formation de l’enclume). Lorsque l’enclume est formée, on parlera de cumulonimbus capillatus incus.

Un tel nuage peut apporter de fortes précipitations, un vent violent, de la grêle et parfois, des tornades.

Même en voiture, les orages peuvent s’avérer dangereux, voici quelques conseils à suivre :

• Allumer vos feux de croisements
• Adapter sa vitesse, surtout sur autoroute
• Bien garder ses distances vis-à-vis des véhicules qui vous précèdent
• Rester dans son véhicule car il représente une bonne protection contre la foudre

À l’extérieur, les orages peuvent s’avérer particulièrement dangereux, voici quelques conseils à suivre :

• Ne pas courir
• Se tenir éloigné des pylônes
• Ne pas s’abriter sous un arbre
• Se mettre accroupi ou assis par terre
• Ne pas rester proche des points d’eau (étangs, rivières…)
• Ne pas s’abriter dans une grotte ou autre paroi rocheuse

Voici une liste des sites consultés afin de rédiger ce dossier. La très grande majorité des données proviennent du National Weather Service et du National Severe Storm

Chasseurs d’orages

CIMMS

Environnement Canada

Estofex

Institut Royal Météorologique

Keraunos

Meteo France

Meteobell

NSSL-NOAA

NWS-NOAA

Storm Prediction Center

Torro

University of Illinois

ZAMG

Frank Roux – « Les Orages. Météorologie des grains, de la grêle et des éclairs »

Felix Aaron Bassous – « 66 jours dans la Tornado Alley »