Cumulo-nimbus


Cumulo-nimbus

Cumulonimbus

Cumulonimbus
Cumulonimbus06.jpg
Abréviation METAR Cb
Symbole CL 3.pngCalvus
CL 9.pngCapillatus
Classification Famille D (À extension verticale)
Altitude 300 - 17 000 m

Le cumulonimbus, de la famille des cumulus, est le nuage qui présente la plus grande extension verticale. Sa base se situe en général de quelques centaines de mètres à 2 000 mètres du sol. Son sommet dépasse parfois la tropopause; il peut donc culminer à des altitudes allant de 8 000 à 18 000 mètres[1], [2] [3]. . En fin d'évolution, sa partie supérieure ressemble à une enclume, et l'on parle alors de cumulonimbus capillatus, par opposition au cumulonimbus calvus (étape de transition entre le cumulus congestus, et le cumulonimbus capillatus). Par extension, l'expression « enclume du Cb » désigne généralement sa partie supérieure qui persiste souvent après la perte d'activité du nuage. Cette enclume devient alors un cirrus spissatus cumulonimbogenitus (cirrus épais né d'un cumulonimbus). Le cumulonimbus est souvent associé à des phénomènes violents comme les tornades, les rafales descendantes et la grêle[4].

Sommaire

Formation

Article détaillé : Orage.
Photo de cumulonimbus

Les cumulonimbus sont des nuages d'origine convective, membres de la classe des cumulus. Il s'agit en fait de cumulus de très forte extension verticale dont la partie supérieure est constituée de cristaux de glace. Leur formation est favorisée par des conditions chaudes et humides près de la surface, mais plus froides et sèches en altitude[4].

Les cumulonimbus dits de masse d'air, typiquement les orages en été de fin d'après-midi et qui sont relativement bénins, se forment suite à la convection causée par le réchauffement solaire de l'air près du sol, en l'absence de forçages dynamiques[4]. La présence de forçages dus à la dynamique atmosphérique peut déstabiliser davantage l'atmosphère, ce qui augmente la probabilité de formation de cumulonimbus et la sévérité des orages qui en résultent. Ces derniers se développent en général à l'approche d'un front froid ou par soulèvement orographique[4]. La plupart des orages violents sont de ce type.

L'apparition de l'enclume est la conséquence de l'étalement du cumulonimbus au niveau de la tropopause (nom donné à la limite entre la troposphère et la stratosphère). Les courants ascendants à l'intérieur du nuage sont stoppés ou ralentis en arrivant dans cette zone de l'atmosphère particulièrement stable, et ils se transforment alors en courants horizontaux[4].

En cas d'orage sévère, la différence entre la température de la masse d'air ascendante et celle de l'air extérieur peut entrainer une propagation du courant ascendant dans la stratosphère, il se forme alors un sommet protubérant appelé en anglais overshooting dome[4].

Dangers

Général

C'est ce type de nuage qui donne les orages. En fonction de son développement, il peut être le siège de manifestations électriques comme la foudre, de chutes de grêle, de pluie, de fortes précipitations et dans les cas les plus extrêmes, de tornades. A cela s'ajoute le risque de givrage (présent lorsque la température de l'air extérieur est comprise entre -40 et 0 degrés Celsius) et de forts cisaillements des vents dans le nuage. En général, les courants ascendants et descendants sous un cumulonimbus correspondant à un orage de fin d'après-midi d'été sont modestes (de l'ordre de 5 m/s). Par contre, les orages supercellulaires ou de derechos peuvent avoir des courants ascendants dépassant 20 m/s.

Aviation et voile à voile

Même les plus gros avions de ligne détournent leur route afin d'éviter de croiser le chemin d'un cumulonimbus. Les différents phénomènes qu'on peut y retrouver contribueraient à mettre en péril l'avion, et ses occupants, si le pilote essayait de passer au travers. Aucun appareil n'est également conçu pour voler à travers une tornade. De plus, le phénomène de rafale descendante peut apparaître en dessous du nuage, plaquant l'appareil au sol. Des cas célèbres d'écrasements se sont produits aux États-Unis qui ont conduit à la mise sur pied d'un réseau de profileur de vents et de radars météorologiques spéciaux près des aéroports pour surveiller ces cisaillements.

Pour ces raisons, la FAA américaine recommande que les aéronefs, dont les planeurs, ne devraient pas s'approcher à moins de 20 milles (37 km) d'un orage sévère bien qu'un pilote de planeur pourrait essayer d'utiliser les courants ascendants existant dans ou sous ce type de nuage. Il existe deux sortes de dangers pour ce type d'appareil : l'un est lié aux effets de cisaillement entre les zones ascendantes et subsidantes dans le nuage qui peuvent briser le planeur. Le second est plus sournois: les forts courants ascendants sous un cumulonimbus supercellulaire peuvent couvrir un large diamètre et être relativement peu turbulents. Dans ce cas, le planeur est aspiré dans le nuage et le pilote se retrouve en mauvaise posture à cause de la perte des repères visuels (VFR).

Toutefois, en cas de cumulonimbus de taille relativement modeste, rester en l'air, exploiter les courants ascendants sous les cumulus à l'avant de l'orage et attendre que l'orage se dissipe est préférable pour un planeur au risque d'atterrissage au moment où les rafales descendantes se produisent. De plus, au moment où le cumulonimbus se désagrège, il n'y a plus d'ascendance et on retrouve même des courants descendants.

Dans certains pays, les planeurs sont autorisés à voler dans les nuages. À titre d'exemple, Helmut Rechmann a tenté aux championnats du monde de vol à voile en 1972 à Vršac d'utiliser les violentes ascendances associées à des cumulonimbus[5]. Au départ, il a trouvé une ascendance de +8 m/s. Après une demie spirale, il s'est retrouvé dans une descendance de 15 m/s. Il a dû se poser très peu de temps après. À ce moment-là, l'orage est arrivé à maturité. Dans un autre exemple, Terry Delore s'était fait piéger par un orage sévère. Il s'était engagé à l'intérieur d'un cumulus à l'air inoffensif à 2000 pieds (700 m). Ce cumulus s'était transformé en gros cumulonimbus. Le début du vol dans le nuage était sans aucune turbulence. Puis, soudain,son planeur devint incontrôlable. Il se retrouva sur le dos, en piqué, en chandelle etc. Les aérofreins étaient bloqués par la glace, les orifices de ceux-ci étaient pleins de grêlons. Il a atterri dans un aérodrome encore recouvert de grêlons et les rafales de vent atteignaient de 30 à 40 nœuds. Tout le monde a eu peur pour la vie du pilote[6]. Dans le même ouvrage, l'auteur raconte qu'un moniteur italien de vol à voile à Rieti faisait voler ses élèves dans des cumulonimbus jusqu'à une altitude de 10 000 m pour que ceux-ci s'habituent aux phénomènes associés aux cumulonimbus (p 129).

Un parachutiste ou parapentiste qui s'engage sous un cumulonimbus prend le risque mortel et certain d'être aspiré rapidement jusqu'au sommet de ce nuage: asphyxié, foudroyé, congelé. S'il en réchappe, il peut avoir des dommages irrémédiables au cerveau suite à un manque d'oxygène ainsi que des amputations à la suite des gelures. On pourra également citer le cas d'Ewa Wiśnierska, parapentiste allemande qui a survécu à une ascension de plus de 9 000 m à l'intérieur d'un cumulonimbus.

Les seuls cumulonimbus pouvant être exploitables par le pilote de planeur, sous toutes réserves, seraient les petits cumulonimbus isolés mais les exemples ci-dessus montrent qu'un nuage à l'aspect inoffensif peut devenir très dangereux rapidement. Les lignes d'orages et les orages supercellulaires sont définitivement un risque mortel. Selon les règles du vol à voile, les vols dans les zones préorageuses sont toujours celles du vol à vue car le pilote doit pouvoir observer l'évolution d'un nuage et prendre les mesures nécessaires d'évitement, ou d'atterrissage rapide le cas échéant.

Variétés

Cumulonimbus calvus

Cumulonimbus calvus avec éclairs nuage-nuage

Cumulonimbus calvus est le stage du cumulonimbus qui se situe entre le cumulus bourgeonnant et le cumulonimbus capillatus. Il atteint une extension verticale similaire à ce dernier mais n'as pas de sommet fibreux en forme d'enclume, le terme calvus signifiant chauve. Il se caractérise par un aspect de bulles rondes et blanches et un sommet bien défini[4].

Ce type de cumulonimbus est surtout formé de gouttelettes surfondues et seulement le sommet commence à contenir des cristaux de glace. Il va donner des averses fortes et peut produire de la foudre nuage-nuage mais généralement pas de grêle[4]. Il peut également produire un front de rafales qui pourra donner un arcus à sa base.

Cumulonimbus capillatus et incus

Cumulonimbus incus

Le cumulonimbus capillatus est le dernier stage de la formation d'un cumulonimbus. Le nuage atteint alors sa plus grande extension verticale car les parcelles d'air humide, montant grâce à l'instabilité de l'air, ont dépassée le niveau d'équilibre et ralentissent leur ascension dans l'inversion de température de la tropopause. Les gouttelettes se transforment en cristaux de glace, selon la disponibilité des noyaux de congélation, et les vents de très haute altitude peuvent les entraîner loin du courant ascendant pour former un nuage de type cirrus au sommet lui donnant une aspect chevelu (capillatus en latin)[4].

Lorsque ce cirrus forme un nuage plat semblable à une enclume, on parle de cumulonimbus capillatus incus (enclume en latin). Sa base très sombre s'accompagne fréquemment de nuages bas déchiquetés, soudés ou non avec elle que l'on nomme pannus. Dans certains cas, des sommets protubérants en forme de dômes surmontent l'enclume, révélant la très grande intensité du courant ascendant[4].

Les cumulonimbus capillatus et incus peuvent donner toute la panoplie de phénomènes violents comme pluie torrentielle, grêle, rafale descendante, et même tornade surtout s'ils deviennent des supercellulaires[4].

Cumulonimbus pileus

Cumulonimbus calvus surmonté d'un pileus

Un cumulonimbus pileus est un cumulonimbus surmonté d'un cirrus comme s'il avait un capuchon (pileus est capuchon en latin latin). Ce cirrus n'est pas directement relié au nuage convectif et n'est pas l'enclure du cumulonimbus incus. Il se forme plutôt au-dessus de l'orage à cause du courant ascendant. En effet, le mouvement ascendant interne induit un mouvement vertical dans toute la colonne d'air et si l'air en haute altitude est près de la saturation, l'humidité se condensera pour former un cirrus par un effet similaire à l'effet de foehn.

La formation du pileus étant distincte du nuage sousjacent, on peut en retrouver avec des cumulus ou des cumulus bourgeonnant. Leur formation cache souvent le vrai sommet du nuage convectif et peut induire en erreur sur le stade auquel il est rendu. Il indique cependant que le mouvement vertical est important et dans le cas de cumulonimbus peut être indicateur d'orages violents.

Pyrocumulonimbus

Un pyrocumulonimbus (pyroCb) est un cumulonimbus qui se forme au-dessus d'une source d'intense de chaleur. Ils ont été découverts lors de feux de forêt[7],[8]. Ceux-ci créent des conditions d'instabilité similaires au réchauffement diurne, en plus d’ajouter des particules fines qui peuvent servir à la condensation de la vapeur d’eau en gouttellettes[9]. La source de chaleur est généralement un feu intense ou une éruption volcanique, mais il peut être simplement déclenché par la chaleur des rejets d’une cheminée industrielle si l'air est déjà très instable.

Comme les autres types de cumulonimbus, ils peuvent atteindre la tropopause et donner des précipitations, dont de la grêle noircie par la suie, de la foudre, des rafales descendantes et même parfois des tornades[8],[10]. Cependant, ils vont donner en général beaucoup moins de précipitations que les cumulonimbus réguliers malgré leur forte extension verticale. En effet, l'étude par données de satellites et radars météorologiques a démontré que les gouttes formées dans le nuage sont très petites, même jusqu’au sommet. Ceci est dû au fait que le nombre de noyaux de condensation fournis par la fumée est très grand et mène à une forte compétition pour la vapeur d'eau disponible[9]. La pluie d'un pyrocumulonimbus n'est donc souvent pas suffisante pour éteindre le brasier qui l'a formé et la foudre qu'il génère, à partir de son enclume, peut en allumer d'autres.

Les cumulonimbus peuvent être également la source d'une injection de particules de fumée dans la stratosphère, créant à petite échelle un effet similaire à l’hiver nucléaire en plus d'affecter la formation de l’ozone stratosphérique[11],[12].

Le champignon atomique est aussi un type de pyrocumulonimbus. Le largage de la bombe atomique sur Hiroshima s'est fait par temps clair. Peu après, le champignon atomique s'est formé et il a commencé à tomber de la pluie noire qui était pleine de suie radioactive. Cette pluie a tué de nombreuses personnes. Le champignon atomique s'est largement développé dans la stratosphère et a entraîné de nombreuses particules qui sont restées piégées (voir la théorie de l'hiver nucléaire). Il n'a pas été fait état de phénomènes électriques ou de chutes de grêle, car il semble que la présence de suie a empêché la formation de grosses gouttes ou de grêlons. Même si le champignon atomique peut être assimilé à un très gros cumulonimbus, il ne peut pas être assimilé à un orage supercellulaire.

Autres attributs

Cumulonimbus et quelques attributs
  • Cumulonimbus virga : virga à la base d'un cumulonimbus ;
  • Cumulonimbus pannus : pannus qui apparaissent au-dessous d'un cumulonimbus ;
  • Cumulonimbus mammatus : mamma à la base ou sur les côtés d'un cumulonimbus ;
  • Cumulonimbus velum : voile de cirrus cachant les côtés d'un cumulonimbus ;
  • Cumulonimbus arcus : arcus à la base d'un cumulonimbus ;
  • Cumulonimbus tuba : entonnoir nuageux sous un cumulonimbus et possiblement une tornade ;
  • Cumulonimbus tholus (terme non officiel) : sommet protubérant au-dessus de l'enclume.

Notes et références

  1. (en)Hot towers, 2005, NASA. Consulté le 2009-09-11
  2. (en)Hurricane structure, 2001-2003, News Media Studio. Consulté le 2009-09-11
  3. (en)Richard R Scorer, Clouds of the world;a complete color encyclopedia, Stackpole books, 1972, 176 p. (ISBN 0-8117-1961-8), p. 40 
  4. a , b , c , d , e , f , g , h , i , j  et k (fr)Cumulonimbus, 2009, Glossaire météolorogique, Météo-France. Consulté le 2009-08-14
  5. (en)Reichmann Helmut, Cross Country Soaring: A Handbook for Performance and Competition Soaring (7th Edition), Soaring Society of America, 1975, 174 p. (ISBN 1-883813-01-8) [présentation en ligne], p. 19 
  6. (en)Terry Delore, Master of the wave, The Caxton Press, 2005, 182 p. (ISBN 0-473-10744-9), p. 124 et suivantes 
  7. (en)M. Fromm et al. , « Observations of boreal forest fire smoke in the stratosphere by POAM III, SAGE II, and lidar in 1998 », dans Geophysical Research Letters, vol. 27, 2000, p. 1407-1410 [résumé] 
  8. a  et b (en)Bob Henson et Nicole Gordon, « Finding pay dirt aloft », 2008, UCAR. Consulté le 2009-09-02
  9. a  et b (en)D. Rosenfeld, R. Servranckx, M. Fromm et M. O. Andreae, « Pyro-Cumulonimbus: Strongly suppressed precipitation by smoke-induced extremely small cloud drops up to the homogeneous freezing level », dans Conférence automnale, American Geophysical Union, 2003, p. #A11C-03 [résumé (page consultée le 2009-08-31)] 
  10. (en)M. Fromm, A. Tupper, D. Rosenfeld, R. Servranckx et R. McRae, « Violent pyro-convective storm devastates Australia's capital and pollutes the stratosphere », dans Geophysical Research Letters, vol. 33, 2006, p. L05815 [lien DOI] 
  11. (en)M. Fromm et R. Servranckx, « Transport of forest fire smoke above the tropopause by supercell convection », dans Geophysical Research Letters, vol. 30, 2003, p. 1542 [lien DOI] 
  12. (en)Boreal Forest Fires and their Effects on the Arctic, 2009, Polar Study using Aircraft, Remote Sensing, Surface Measurements and Models, of Climate Chemistry, Aerosols and Transport, NOAA. Consulté le 2009-08-31

Liens externes

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