Le développement et la formation des orages

Voici ce que j'avais écrit lors d'un travail commun sur les orages

    Un orage est une averse violente accompagnée de décharges électriques et il est essentiellement associé à un cumulonimbus. Un orage est composé de différentes cellules qui sont une agglomération de cumulus en voie de développement. Lorsque l’orage évolue, chaque cellule grossit pour gagner une altitude supérieure à la précédente. Les cellules qui composent un orage peuvent se situer à des stades différents, créant ainsi le mouvement apparent du déplacement de l’orage. Les stades des cellules sont  le stade cumulus, le stade de maturité et le stade de dissipation.

   Le stade cumulus est nommé ainsi puisqu’à son début, chaque orage est un cumulus. Ce stade est caractérisé par la prédominance des courants ascendants qui « maintiennent en suspension l’eau liquide formée, empêchant les précipitations en surface. »  Les températures à l’intérieur d’une cellule sont supérieures à celles de l’air environnant. Il n’y a aucun éclair durant ce stade qui dure de 10 à 15 minutes.
     Le stade de maturité constitue la période d’orage et dure de 15 à 30 minutes . On y a l’apparition des précipitations. Il y a des éclairs au sein même du nuage ou dirigés vers le sol. Les courants descendants apparaissent avec la persistance des courants ascendants qui eux atteignent leur plus grande amplitude au début de ce stade dans la partie supérieure du nuage. Les courants descendants n’atteignent jamais le sommet du nuage et ils sont généralement moins violents. Les températures y sont également plus basses que celles de l’air. « La limite entre les mouvements ascendants et descendants constitue une zone de turbulence sévère et de fortes accélérations verticales. »  Un nuage en rouleau peut également se former à l’occasion.
     Le stade de dissipation dure environ 30 minutes et les risques d’orage disparaissent pendant ce stade. La dissipation se produit lorsque les courants descendants gagnent toute la cellule graduellement, sauf la partie supérieure de celle-ci due à la continuité du courant ascendant. La dissipation totale, aussi appelée la stratification, se fait dès que la pluie et les courants descendants cessent.
    Pour qu’un orage se forme, il faut que certaines conditions soient satisfaites. Les principales sont l’instabilité conditionnelle de la masse d’air, le déclenchement de l’instabilité par une cause extérieure et l’humidité relative assez élevée.
    Le déclenchement de l’instabilité est le résultat du soulèvement de la masse d’air ou de la convection. La convection peut être thermique due au réchauffement diurne ou elle peut se produire à la suite d’un passage d’un front froid. Les déclencheurs peuvent agir à la surface ou en altitude faisant que les orages peuvent se développer à différents niveaux.
     L’instabilité conditionnelle de la masse d’air se produit lorsque « [la] courbe d’état est situé entre l’adiabatique sèche et l’adiabatique saturée. »  Pour devenir instable, l’air doit être soulevé à un niveau où les particules des courants ascendants sont plus chaudes que l’air environnant afin que celles-ci poursuivent leur ascension d’elles-mêmes.
      L’humidité de la masse d’air influencera le soulèvement nécessaire au déclenchement de l’instabilité puisque plus l’humidité sera élevée, moins le soulèvement nécessaire sera important. Cette humidité définit l’altitude du niveau de condensation qui définit le niveau où les particules d’air réussissent à s’élever d’elles-mêmes. Cela fait que la période la plus active pour les orages va de la fin du printemps à l’automne puisque c’est la période la plus chaude et la plus humide au niveau de l’atmosphère.
       Donc, les orages se forment grâce à la rencontre d’air chaud humide avec l’air froid ce qui provoque des courants aériens. L’air chaud entre en convection et un refroidissement de l’air se produit, ce qui provoque une condensation de la vapeur d’eau selon les lois de la thermodynamique. Les précipitations sous forme de cristaux de glace et de gouttes d’eau en surfusion coexistent normalement. Il y a des échanges entre ces formes de précipitations et le champ électrique existant dans les nuages qui permettent d’engendrer de fortes décharges. « Les nuages d'orage présentent des champs de 3 500 V par m »  qui peuvent provenir du rayonnement solaire ou du frottement entre les molécules.
     Les charges négatives et positives se trouvent à différents endroits dans le nuage puisque leur vitesse de chute est différente. Cette séparation électrifie le nuage et résulte des mouvements verticaux dans le cumulonimbus. Selon Christian Bouquegneau , le haut est constitué de charges positives, le centre des charges négatives, et le bas est constitué d’une petite charge positive qui correspond à 10% de la charge positive de celle du haut. 

     L’énergie potentielle de convection disponible est plus grande dans les nuages d’orage que ceux d’averses permettant à ces nuages d’atteindre une altitude plus élevée. Les « gouttes qui s’élèvent dans le courant ascendant perdent des électrons par collision […] Un plus haut sommet permet d’atteindre une température inférieure à -20°C nécessaire pour donner un grand nombre de cristaux de glace. Ces derniers sont de meilleurs producteurs et transporteurs de charge ce qui permet une différence de potentiel suffisante entre la base et le sommet du nuage pour dépasser le seuil de claquage de l’air et donner de la foudre. »