Chaque saison orageuse, des chutes de grêle se produisent, générant parfois des dégâts considérables. Cela a été particulièrement vrai en 2022 sur la trajectoire des orages supercellulaires qui ont balayé nos régions, l’occasion de se pencher sur l’origine de la grêle. Qu’est-ce que la grêle ? Comment se forment les grêlons ? D’où vient leur forme ?
Grêle et grésil
La grêle est la précipitation de grains de glace dont le diamètre est de 5 mm au minimum et dont la densité est de l’ordre de 0,9 g/cm3. En-dessous de 5 mm de diamètre, on parle de grésil.
Processus de formation de la grêle
Si la base du nuage d’orage reste à une altitude constante de quelques kilomètres au-dessus du sol, les sommets continuent leur progression et atteignent des altitudes où la température est négative. Ainsi, dans la partie supérieure du cumulonimbus, initialement constituée de gouttelettes d’eau liquide en suspension, des cristaux de glace se forment.
Les processus microphysiques à l’intérieur des cellules orageuses jouent un rôle essentiel dans la formation de la grêle. En effet, les cristaux de glace ne pourront se former qu’autour de grains particuliers de poussières appelées noyaux de congélation ou glaçogènes. Ainsi, des gouttelettes d’eau liquide en surfusion (demeurant à l’état liquide à une température inférieure au point de solidification) et des cristaux de glace cohabitent dans le cumulonimbus. Ces gouttelettes d’eau surfondue peuvent alors se déposer et geler par coalescence. Le moindre choc ou contact suffit à faire geler les gouttes d’eau en surfusion.
Croissance des grêlons
Si la formation de la grêle résulte du mécanisme de coalescence, la croissance des particules glacées nécessite la présence d’un autre élément : des courants ascendants suffisamment forts pour maintenir les particules en suspension dans le nuage.
Selon une théorie, les mouvements verticaux entrainent les particules de grêle. On dit qu’elles passent par plusieurs cycles. Ces noyaux se trouvant dans un courant ascendant gèlent, donnant des grêlons. Ces derniers, en chutant, fondent et se chargent d’eau liquide par givrage, puis remontent par un courant ascendant, et ainsi de suite. C’est pourquoi des couches successives de glace se forment autour du noyau. Par gravité et lorsque la résistance des courants verticaux n’est plus suffisante pour contrer leur vitesse de chute, les grêlons finissent par tomber.
D’après certaines mesures de la constitution isotopique de l’eau des grêlons[1], la composition des couches traversées par les grêlons influe sur la structure des grêlons. Ces études révèlent notamment que lorsqu’un grêlon traverse une couche chargée en gouttelettes d’eau (donc à des altitudes plus basses, où la congélation est plus lente), une couche translucide se forme. Mais quand un grêlon traverse une couche faiblement concentrée en gouttelettes (à des altitudes plus élevées, où la congélation est instantanée), une couche plus opaque se forme.
Ainsi, il est possible de reconstituer les trajectoires des grêlons au sein du nuage.
Il est maintenant admis que les grêlons de diamètre important (> 4 cm) se forment en périphérie de puissants courants verticaux. En effet, dans ces zones les grêlons grossissent plus lentement par concrétion, c’est-à-dire par agrégation de grêlons plus petits, leur conférant une forme originale.
Formes des grêlons
Cette alternance dans leur mode de croissance donne aux grêlons leur structure particulière et changeante selon l’intensité de l’orage.
La forme des grêlons est donnée par le type de cristal à l’origine du grêlon. Une étude canadienne a montré que la forme des grêlons est également donnée par le mode de rotation du grêlon au cours de sa croissance. Des simulations faites en tunnel à vent ont notamment permis d’expliquer les mécanismes d’échange de chaleur et d’eau entre le grêlon et son environnement.
Reconnaître un orage grêligène
En général, la présence de grêle révèle une intensité orageuse marquée puisque plus les courants ascendants sont puissants, plus les grêlons seront gros. Seulement, la prévision de la grêle et du diamètre des grêlons pour un orage en particulier est délicate et fait toujours l’objet d’études.
Sur le terrain, on peut reconnaître un orage grêligène grâce à son intensité et sa rapide évolution. Apparaît ensuite un rideau très dense et blanc. Une averse de grêle s’accompagne souvent d’un bruit caractéristique, semblable à un bourdonnement continu.
Un autre indice de la présence de grêle est la couleur révélée par un éclair. Si cet indice est à prendre avec prudence, il est fréquent qu’un coup de foudre révèle un environnement bleui en présence de grêle.
Et la couleur turquoise dans le nuage d’orage ?
Les nuances entre le vert et le turquoise marquent incontestablement la sévérité d’un orage. Mais ces nuances sont-elles véritablement liées à la présence de grêle ? Pour tenter de répondre, il faut se pencher sur les travaux du Dr. Bohren et Dr. Fraser, professeurs de météorologie à l’Université de Pennsylvanie. D’après leurs études, les gouttelettes d’eau en suspension dans le cumulonimbus absorbent les longueurs d’onde rouges émises par le Soleil et diffusent un rayonnement vert. Ceci est d’autant plus marqué lorsque le Soleil est plus bas sur l’horizon. Cette constatation a été confirmée par une étude plus récente menée par le Dr. Gallagher de l’Université d’Oklahoma et le Dr. Bohren. En effet, l’analyse des données d’un photospectromètre a révélé que la présence de grêle n’est pas à l’origine des nuances vertes observées, mais que la taille des gouttelettes accentue plus ou moins ces nuances. Selon le Dr Gallagher, il se pourrait que tous les orages montrent ces nuances verdâtres au cours de leur durée vie mais qu’elles ne soient pas toujours perçues distinctement.
Liens
[1] Rapport des concentrations en hydrogène et deutérium
