Grêle
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Introduction

Gros grêlon, laissant apparaitre des bulles en transparence

La grêle est un type de précipitation qui se forme dans des orages particulièrement forts lorsque l'air (L'air est le mélange de gaz constituant l'atmosphère de la Terre. Il est inodore et incolore. Du fait de la diminution de la pression de l'air avec l'altitude, il est nécessaire de pressuriser les cabines des...) est très humide et que les courants ascendants sont puissants. Elle prend la forme de billes de glace (La glace est de l'eau à l'état solide.) (grêlons) dont le diamètre (Dans un cercle ou une sphère, le diamètre est un segment de droite passant par le centre et limité par les points du cercle ou de la sphère. Le diamètre est aussi la longueur de ce segment. Pour...) peut varier de quelques millimètres à une dizaine de centimètres. Le code METAR (Un METAR (de l'anglais METeorological Airport Report) est un rapport d'observation et non de prevision météorologique pour l'aviation.) de la grêle (La grêle est un type de précipitation qui se forme dans des orages particulièrement forts lorsque l'air est très humide et que les courants ascendants...) est GR.

Origine

Mouvement de l'air et des grêlons dans l'orage (Un orage, de l'ancien français ore qui signifiait vent, est une perturbation atmosphérique d'origine convective associée à un...)

Un orage se forme dans une masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un corps : l'une quantifie l'inertie du corps (la masse inerte) et l'autre la contribution...) d'air chaud et humide, bien au-dessus du point (Graphie) de congélation (On appelle congélation toutes technique visant à faire passer un produit à l'état solide par des techniques de refroidissement forcé. On parle de congélation...), et très instable. L'air ainsi soulevé va éventuellement devenir saturé, car sa température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et étudiée en thermométrie. Dans la vie courante,...) diminue avec l'altitude (L'altitude est l'élévation verticale d'un lieu ou d'un objet par rapport à un niveau de base. C'est une des composantes géographique et biogéographique qui explique la répartition de...) selon la loi des gaz (Un gaz est un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et quasi-indépendants. Dans l’état gazeux, la...) parfaits. L'excédant d'humidité (L'humidité est la présence d'eau ou de vapeur d'eau dans l'air ou dans une substance (linge, pain, produit chimique, etc.).) forme d'abord le nuage (Un nuage est une grande quantité de gouttelettes d’eau (ou de cristaux de glace) en suspension dans l’atmosphère. L’aspect d'un nuage...) et puis des gouttes de pluie (La pluie désigne généralement une précipitation d'eau à l'état liquide tombant de nuages vers le sol. Il s'agit d'un hydrométéore...). Les grêlons croissent lorsque les gouttes de pluie contenues dans l'orage continuent leur ascension dans le fort courant ascendant et gèlent. Pour geler les gouttes doivent être sous le point de congélation et rencontrer un noyau de congélation. Si elles n'en rencontrent pas, elles sont en surfusion et pourront le rester jusqu'à un température de -39 °C, ce qui leur permet d'atteindre de très grandes altitudes dans le nuage.

Dès qu'une goutte gèle dans les niveaux supérieurs de la troposphère (La troposphère est la partie de l'atmosphère terrestre située entre la surface du globe et une altitude d'environ 8 à 15 kilomètres, selon la latitude et la...) (couche inférieure de l'atmosphère (Le mot atmosphère peut avoir plusieurs significations :) terrestre) où la température est inférieure à -10 °C, elle devient un noyau de congélation qui peut commencer le grêlon. La pression de vapeur (La pression de vapeur est la pression partielle de la vapeur d'un corps présent également sous forme liquide ou solide.) de saturation de la glace étant moindre que celle de l'eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les organismes vivants connus.) à des températures sous le point de congélation, la vapeur () d'eau contenue dans l'air en ascension va donc se condenser sur les noyaux de glace plus facilement que sur les gouttes liquides. Les grêlons croissent donc plus rapidement que les gouttes de pluie dans une atmosphère humide comme celle de l'orage.

De plus, les embryons de grêle cannibalisent la vapeur d'eau des gouttes surfondues dans leur entourage. En effet, à la surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a plusieurs acceptions, parfois objet géométrique, parfois frontière...) des gouttes il y a toujours un échange de vapeur d'eau avec l'air environnant et le grêlon semble attirer les molécules d'eau vers lui parce qu'il leur est plus facile de s'y recondenser que sur la goutte (voir Effet Bergeron). Finalement, les gouttes de pluie qui entrent en contact avec les grêlons, gèlent instantanément sur sa surface. Le tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) permet aux grêlons de croître rapidement dans les régions du nuage à fort contenu liquide (La phase liquide est un état de la matière. Sous cette forme, la matière est facilement déformable mais difficilement compressible.). Le taux de croissance est particulièrement important autour (Autour est le nom que la nomenclature aviaire en langue française (mise à jour) donne à 31 espèces d'oiseaux qui, soit appartiennent au genre Accipiter, soit constituent les...) de -13 °C.

La formation de la grêle n'a rien à voir avec celle de la neige (La neige est une forme de précipitation, constituée de glace cristallisée et agglomérée en flocons pouvant être ramifiés...). Cette dernière se forme dans des nuages stratiformes à faible mouvement vertical (Le vertical (rare), ou style vertical, est un style d’écriture musicale consistant en accords plaqués.), à des températures sous zéro (Le chiffre zéro (de l’italien zero, dérivé de l’arabe sifr, d’abord transcrit zefiro en italien) est un symbole marquant...) degré (Le mot degré a plusieurs significations, il est notamment employé dans les domaines suivants :) Celsius et dans une masse d'air contenant relativement peu d'humidité. Dans ces conditions, les cristaux de glace qui se forment sont très petits, et croissent lentement pour donner des flocons. Il y a peu de gouttelettes surfondues dans ces conditions.

Structure en couches

Coupe à travers un grêlon montrant sa structure en couches

Une coupe transversale des gros grêlons montre qu'ils ont une structure en pelure d'oignon (L’oignon (l'orthographe ognon est préconisée par les rectifications orthographiques du français en 1990), prononcé /ɔ.ɲɔ̃/, est une plante herbacée bisannuelle de la famille...), c'est--à-dire formée de couches de croissance épaisses et translucides alternant avec des couches minces, blanches et opaques. La théorie (Le mot théorie vient du mot grec theorein, qui signifie « contempler, observer, examiner ». Dans le langage courant, une théorie est une idée ou une connaissance...) voulait antérieurement que les grêlons fussent sujets à plusieurs allers-retours, retombant dans la zone humide puis regelant dans une nouvelle phase (Le mot phase peut avoir plusieurs significations, il employé dans plusieurs domaines et principalement en physique :) ascendante, ce qui aurait généré les couches successives. Cependant, les recherches théoriques et sur le terrain ont démontré que ce n'était pas le cas.

En fait, le grêlon en ascension traverse (Une traverse est un élément fondamental de la voie ferrée. C'est une pièce posée en travers de la voie, sous les rails, pour en maintenir l'écartement et l'inclinaison, et transmettre au ballast les charges des véhicules...) des zones du nuage où la concentration d'humidité et de gouttelettes en surfusion varie. Son taux de croissance change selon les variations rencontrées. Le taux d'accrétion (L'accrétion désigne en astrophysique, en géologie et en météorologie l'accroissement par apport de matière.) des gouttelettes est un autre facteur de croissance. Ces dernières s'agglomèrent par contact avec le grêlon. Ainsi lorsque le grêlon passe dans une zone riche en gouttelettes, il va acquérir une couche translucide en les capturant, alors que dans les régions de l'orage où c'est surtout de la vapeur d'eau qui est disponible, il se formera une couche de givre (Le givre est un dépôt de micro-gouttelettes d'eau surfondue (= en surfusion) sur une surface lorsque la température est sous le point de congélation (0 °C). En effet, l'eau peut rester...) blanc (Le blanc est la couleur d'un corps chauffé à environ 5 000 °C (voir l'article Corps noir). C'est la sensation visuelle obtenue avec un spectre lumineux continu, d'où...) opaque.

Un gros grêlon formé de la fusion (En physique et en métallurgie, la fusion est le passage d'un corps de l'état solide vers l'état liquide. Pour un corps pur, c’est-à-dire pour une...) de plusieurs plus petits

Finalement, le grêlon se meut verticalement à une vitesse (On distingue :) variable (En mathématiques et en logique, une variable est représentée par un symbole. Elle est utilisée pour marquer un rôle dans une formule, un prédicat ou un...) qui dépend de sa position dans le courant ascendant ainsi que de son poids (Le poids est la force de pesanteur, d'origine gravitationnelle et inertielle, exercée par la Terre sur un corps massique en raison uniquement du voisinage de la Terre. Elle est égale à...). C'est ce qui va faire varier l'épaisseur des couches car le taux de capture (Une capture, dans le domaine de l'astronautique, est un processus par lequel un objet céleste, qui passe au voisinage d'un astre, est retenu dans la...) des gouttelettes surfondues (accrétion) dépend des vitesses relatives entre celles-ci et le grêlon, certaines vitesses d'ascension la favorisant. La croissance des grêlons amène le relâchement de chaleur latente (L'enthalpie de changement d'état, molaire ou massique, correspond à la quantité de chaleur nécessaire à l'unité de quantité de matière (mole) ou de masse (kg) d'un corps pour qu'il change d'état; cette transformation ayant...), ce qui peut garder l'extérieur du grêlon liquide, le rendant plus "collant". Les grêlons peuvent alors s'agglomérer à deux ou plusieurs, selon les collisions, pour en former de plus gros, aux formes irrégulières.

Le grêlon s'élève donc jusqu'à ce que son poids ne puisse plus être supporté par le courant ascendant, ce qui prend au moins une trentaine de minutes ( Forme première d'un document : Droit : une minute est l'original d'un acte. Cartographie géologique ; la minute de terrain est la carte originale, au crayon,...) compte tenu de la force (Le mot force peut désigner un pouvoir mécanique sur les choses, et aussi, métaphoriquement, un pouvoir de la volonté ou encore une vertu morale « cardinale » équivalent au courage...) de ces courants dans un orage à grêle dont le sommet est généralement à plus de 10 km de hauteur (La hauteur a plusieurs significations suivant le domaine abordé.). Puis il se met à redescendre vers le sol tout en continuant sa croissance par les mêmes procédés. Ce trajet unique dans l'orage est donc suffisant pour expliquer la configuration en couches de la grêle. Le seul cas où on peut parler de trajets multiples est celui des orages multicellulaires où un grêlon peut être éjecté du sommet de la cellule-mère et être repris dans le courant ascendant d'une cellule-fille plus intense, mais il s'agit là d'un cas exceptionnel.

Chute

La grosseur maximale des grêlons dans le nuage n'est pas celle que l'on retrouve au sol. En effet, une fois qu'il quitte le nuage, le grêlon commence à se sublimer car l'air n'y est plus à saturation. Lorsqu'il passe dans la couche où la température dépasse le point de congélation, il se met aussi à fondre et à s'évaporer. Ce que l'on retrouve au sol est donc ce qui n'a pu se transformer et dépend de la hauteur du niveau de congélation.

Petite grêle

Les cumulus bourgeonnants (nuages d'averses), avec un courant ascendant beaucoup plus faible et un sommet moins froid (Le froid est la sensation contraire du chaud, associé aux températures basses.), peuvent donner de la très petite grêle (moins de 5 mm) par un processus similaire. Cette petite grêle est parfois nommée grésil.

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