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Les orages
 Généralités
Dans les zones tempérées, les orages se forment essentiellement en été. On peut s'attendre à des précipitations lorsque le cumulo-nimbus atteint une grande hauteur tout en prenant un aspect effiloché sur ses contours. À l'arrivée du nuage, on observe fréquemment une brusque montée du vent pouvant même former un véritable front tempétueux appelé "Front de rafale". Certains fronts peuvent générer des vents de 160 km/h. Les précipitations qui suivent peuvent être de pluie, de grésil, de grêle ou encore de neige. Plusieurs de ces éléments peuvent coexister au sein du nuage et chaque type est lié à une charge électrique. Cela engendre une grande différence de potentiel qui donne naissance aux éclairs.
 Formation
Les orages peuvent prendre naissance de deux manières différentes. La première consiste en une rapide montée d'air chaud et humide à grande altitude (orages de chaleur), la seconde consiste à une rencontre entre l'air chaud humide avec un front froid conséquent (orages frontaux). Durant la formation du nuage, les courants ascendants en son sein peuvent monter jusqu'à 10 000 mètres d'altitude faisant condenser l'air chaud et humide avec le refroidissement d'altitude. Cette condensation aboutit à la formation de cristaux de glaces et de gouttes d'eau en surfusion. Ces deux états coexistent et se chargent différemment en électricité. Vue la différence de poids entre la glace et l'eau, ceux-ci finissent par se répartir dans le nuage à l'aide des vents. Lorsque la différence de potentiel devient trop forte, l'air, isolant électrique, finit par céder et un éclair intra-nuageux se produit.
 Classification des orages
On classe les orages en plusieurs catégories selon l'Énergie Potentielle de Convection Disponible (EPCD) et le cisaillement du vent avec l'altitude. Les classes sont les suivantes : orages unicellulaires, orages multicellulaires et orages supercellulaires.
Les orages unicellulaires
L'orage unicellulaire est caractérisé par une faible énergie (EPCD de 500 à 1000 J/Kg) avec peu ou pas de changement des vents avec l'altitude. Donc le cycle de vie d’environ 30 à 60 minutes de ces orages est caractérisé par un courant ascendant plus ou moins fort et vertical. Au départ, nous sommes en présence de cumulus mediocris qui fusionnent entre eux. Ils se transforment ensuite en cumulus congestus avec début de précipitations en leur sein. Lorsque des cristaux de glace se forment au sommet du nuage, ces congestus deviennent par définition des cumulonimbus calvus. Apparaissent alors les premiers phénomènes électriques qui caractérisent les orages.
 2006-02-21 - Pierre cb - Licence
Au stade mature, une enclume se forme au sommet du nuage qui prend alors le nom de cumulonimbus capillatus. Cette enclume est provoquée par l'étalement du nuage suite à l'inversion de température à la tropopause et à la présence de forts vents à cette altitude. Cependant, le cœur de précipitations dans le nuage, qui se trouve à une grande altitude, commence à être trop pesant pour que le courant ascendant puisse le soutenir. La pluie mêlée de petits grêlons commence alors à redescendre vers le sol, ce qui provoquera bientôt la dissipation. En effet, cette précipitation descend dans le courant ascendant et s'évapore partiellement en refroidissant l'air qui l'entoure. Ce dernier devient alors plus froid que l'environnement et, par poussée négative d'Archimède, accélère vers le sol. Graduellement le courant descendant s'intensifie et supplante le courant ascendant. Après la pluie, l'orage unicellulaire se dissipe rapidement créant une zone plus fraîche autour de lui. Ce type d'orages est le plus fréquent. Il peut être associé à une forte averse et des rafales de vent. Les pluies ne sont presque jamais torrentielles et les chutes de gros grêlons sont rarissimes. Dans les régions arides du globe, l'évaporation peut être telle que la pluie n'atteint pas le sol et forme de la virga sous le cumulonimbus.  Les orages multicellulaires
Lorsque la force et la direction des vents augmentent avec l’altitude de façon linéaire, le courant ascendant de convection n’est plus à la même position que le courant descendant avec la précipitation. Ceci produit un front de rafale qui s’éloigne en arc du cœur de précipitations et repousse la zone d’ascension. Un surplomb de précipitation se forme donc généralement dans le quadrant sud-ouest de la cellule mère dans l’hémisphère nord alors que les vents dominants de surface viennent de cette direction. Comme le front de rafale se dissocie avec le temps de la cellule initiale en formant des cellules filles, le multi-cellulaire forme donc une ligne d'orages à différents stades de développement.
 2006-02-21 - Pierre cb - Licence
La structure radar de ce type d’orage est caractérisée par des surplombs sur la partie sud-ouest d’une ligne de fort échos et ces surplombs semblent se déplacer dans cette direction alors que la ligne se déplace à 30° et 70 % de la vitesse des vents dans la couche où se produisent les orages. En général, l'EPCD est moyen dans ce type d'orage, soit entre 800 et 1 500 J/Kg. Selon l'énergie et l'humidité disponibles, ce type d'orage peut donner des rafales de vents violentes, des pluies diluviennes et très rarement des tornades.  Les orages supercellulaires
Lorsque le cisaillement des vents tourne avec l’altitude, on peut arriver à une situation où on a un renforcement du mouvement vertical sous le courant ascendant et une synchronisation entre le front de rafales descendantes et le courant ascendant. De plus, si l'énergie potentielle convective disponible monte au-dessus de 1 500 J/kg, le courant ascendant permettra une très large extension verticale (jusqu'à plus de 15 km).
Ceci donne des cellules orageuses indépendantes en équilibre stable entre l’entrée et la sortie des courants qui leur permettent de vivre très longtemps. Elles peuvent produire de la grosse grêle, des vents destructeurs et des pluies torrentielles. De plus, si un cisaillement horizontal du vent en surface est transformé en tourbillon vertical par le courant ascendant, ces supercellules peuvent produire des tornades si la rotation est accentuée par le courant descendant.  Ci-dessus, on voit une représentation d'un tel cumulominbus qui comprend :
  2006-02-21 - Pierre cb - Licence
Du point de vue radar, on remarque une voûte sans échos (dite voûte d'échos faibles) dans une coupe verticale (voir images radars ci-dessus), là où le fort courant ascendant permet à l'humidité des parcelles d'air en convection de ne se condenser qu'à très haut niveau. Ceci donne sur une coupe horizontale une forme à bas niveau d'écho en crochet (image de gauche) à l'image radar et un fort gradient de réflectivité près du crochet. Du point de vue circulation de l'air, les zones en bleu sur la figure de gauche montrent où l'air descend dans ce type de nuage donnant des rafales au sol. On remarque que dans le flanc sud, le courant descendant entre en interaction avec le courant ascendant (jaune) et c'est à cet endroit que les tornades peuvent se produire.
Des expériences ont également montrées que la densité de coups de foudre à l'intérieur d'un orage supercellulaire donne un trou de foudre dans le courant ascendant et la voûte d'échos faibles. Les éclairs
Les éclairs sont des décharges électriques qui prennent naissance dans un cumulo-nimbus via des champs électriques très intenses. La différence de potentiel entre les champs peut atteindre plusieurs centaines de millions de volts. La longueur des éclairs varie de 0,1 km à 20 km dans le cas d'un éclair sinueux, quant à l'épaisseur, elle est de 3 cm environs...
 La vitesse de propagation atteint 40000 km/s, l'intensité, 100 000 A et l'énergie produite, 100 Kw/h. Après la décharge, la tension entre les champs remonte très rapidement, en 50 seconde environs. Quant à la forme des éclairs, la plus courante est linéaire mais d'autres peuvent se présenter sous forme de chapelets, cette dernière forme est due à l'interruption irrégulière du "canal" par lequel l'éclair passe. L'éclair linéaire varie selon trois catégories :
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