Atmosphère, nuages, frontologie et perturbations

    Nouveau volet de la pédagogique d'Infoclimat, la structure de l'atmosphère, des nuages, leur évolution et leur mode de formation, les naissances et morts des perturbations, la frontologie. Pour ce faire, nous allons nous appuyer sur des images, des photos de nuages ainsi que des bribes de résumés scientifiques, dont les auteurs seront cités. Jacques Kessler sera d'ailleurs le "représentant" de cette rubrique, grâce à ses résumés dont quelques extraits seront cités également, nous comprendrons mieux un aspect un peu théorique de la météo.

 

Atmosphère

Pour introduire le sujet, il est utile de s'attarder quelques instants à l'une des forces qui régie tout notre climat planétaire : la force de Coriolis. Cette force peut en fait être assimilée à un système de centrifugation. Notre Terre serait alors une véritable centrifugeuse. Sous l'effet de la rotation de la planète, les éléments en mouvement qui l'entourent sont repoussés vers la périphérie. L'atmosphère est donc repoussée à l'extérieur bien qu'elle reste à une distance raisonnable, accolée à notre planète grâce à la pesanteur, force opposée à la centrifugation.

La météorologie tourne autour d'une science ou une "matière" qui est la mécanique des fluides. Tout météorologue est obligé d'acquérir des connaissances en mécanique des fluides pour affiner ses qualités de prévisionniste. L'atmosphère qui nous entoure, soumise à la force de centrifugation et à la force de pesanteur est donc un fluide. Ce fluide peut donc se déplacer plus ou moins vite, a différentes vitesses, dans différentes directions selon les différents points du globe. Il est donc logique que la force de Coriolis régie en quelque sorte le déplacement des masses d'air. C'est par conséquent aussi un facteur responsable des flux parfois zonaux : d'Ouest en Est dans l'hémisphère Nord et d'Est en Ouest dans l'hémisphère Sud. Néanmoins, d'autres facteurs plus complexes, que seuls les chercheurs ou les ingénieurs peuvent mettre en évidence, jouent un rôle très important dans la mécanique des fluides et donc la circulation atmosphérique.

Voici maintenant un schéma qui tend à récapituler les différents étages de l'atmosphère, en considérant les températures :

 

Retour sur la force de Coriolis. La loi appelée Loi de Buys Ballot peut donc être dégagée après les démonstrations résultantes des différentes forces et de la composition de l'atmosphère. 

Dans notre atmosphère, il existe des zones à différentes pressions. Des zones de basses pressions (dépressions) et des zones de hautes pressions (anticyclones). La pression atmosphérique influe par conséquent les mouvements ascendants et descendants de l'air. Nous admettrons, en évitant des explications trop longues et barbantes que l'air est ascendant au dessus des dépressions et descendant au dessus des anticyclones. L'air est en effet plaqué vers le sol dans les zones de hautes pressions, d'où d'ailleurs des pressions élevées et inversement dans le cas des dépressions. Le déplacement de l'air et donc le vent est d'autant plus rapide que la variation de pression est élevée entre les différentes zones de pressions, ceci pour réguler au mieux la circulation atmosphérique.

Une question à présent à laquelle Jacques Kessler, ingénieur à Météo France et présentateur des bulletins météo des week end sur Radio France répond brillamment : Pourquoi les Açores essorent ils le Midi ?

Réponse : L'anticylclone des Açores fait partie des 5 anticyclones subtropicaux, installés de manière semi permanentes sur les océans. Ils sont dus à la subsidence habituelle de l'air à ces latitudes, c'est à dire aux mouvements du haut vers le bas, en liaison avec le parcours de la cellule de Hadley. Ces anticyclones sont sensibles aux variations saisonnières, et se décalent en même temps que la zone de réchauffement maximal de la planète. En été, l'anticyclone des Açores se déplace ou s'étend fréquemment en direction de l'Espagne, et oblige les dépressions à circuler plus au Nord, ce qui constitue une situation propice à la sécheresse dans nos régions méridionales.

Il faut savoir qu'il existe en gros sur la planète cinq anticyclones subtropicaux situés sur cinq îles différentes : Açores, Hawaï, Sainte Hélène, Ile de Pâques et la Réunion.

Côté déplacement des centres d'action, tout amateur en météo sait que les dépressions ont la capacité de se déplacer plus vite que les anticyclones qui sont eux plus "calmes" et inertes que les dépressions.

La loi de Buys Ballot est donc énoncée : 

Dans l'hémisphère nord, le vent tourne autour des anticyclones dans le sens des aiguilles d'une montre et tourne autour des dépressions dans le sens inverse.

 

Perturbations et frontologie

Nul ne doute qu'une perturbation est issue d'un conflit de masses d'air chaudes tropicales et de masses d'air froides polaires ou continentales. Lorsque les deux masses d'air se rencontrent, s'établie un conflit qui peut durer plusieurs jours. La densité des différentes masses d'air est responsable d'un conflit. L'air chaud plus léger est poussé vers le Nord par les forces atmosphériques que nous connaissons à présent. Cet air chaud pousse et s'élève donc petit à petit au dessus de l'air froid, une ondulation s'établie mais l'air froid "contre-attaque" et cherche à passer sous cet air chaud. Il naît alors une perturbation, une frontogénèse s'établie. En tourbillonnant, air chaud et air froid font prendre naissance à une dépression qui se creuse jusqu'à ce que le conflit se poursuive. La perturbation se trouve alors constituée d'un front chaud à l'avant, d'une front froid à l'arrière. Le tout, dans notre hémisphère, en circulation zonale se déplace souvent d'Ouest en Est à vitesse variable de l'ordre de 40 à 60 km/h. Mais le front froid a tendance a rattraper le front chaud; l'air froid gagne alors, une occlusion naît ensuite. 

Le déclin de la perturbation s'amorce dès la naissance de l'occlusion. L'air chaud se trouve rejeté en altitude, il n'y a plus de conflit, la dépression peut se combler.

PUIS :

Ces schémas basiques et enfantins récapitulent bien le conflit de masse d'air à l'origine des perturbations.

Les fronts chauds et les fronts froids sont en fait les limites entres les deux différentes masses d'air. Suite à la poussée de l'air froid et à la levée de l'air chaud, le tourbillon pourra se créer et donner naissance à une dépression et lorsque l'air froid aura pris le dessus sur l'air chaud, l'occlusion pourra avoir lieu. 

Côté vocabulaire, il faut savoir que les alentours des deux fronts et le secteur chaud est appelé "corps de la perturbation". Au dessous des deux fronts se trouve "le ciel de marge" souvent caractérisé par des nuages d'altitude. Enfin à l'arrière du front froid se trouve parfois des fronts secondaires qui forment "la traîne".

Le front chaud se caractérise par une activité assez faible mais à l'avant de ceux ci peuvent en été se déclencher des orages pré frontaux. Des nuages d'altitude qui peuvent libérer quelques faibles pluies lui sont propres, tels que cirrus, cirrocumulus ou altocumulus. Dans le secteur chaud, la température est stable et clémente, les pluies s'estompent, la pression stagne et des éclaircies peuvent apparaître surtout en été. 

Le front froid quand à lui est beaucoup plus actif. Orages, pluies modérées ou fortes, et ensuite températures plus fraîches sont ses caractéristiques principales. Souvent, en configuration zonale, le vent tourne Nord Nord Ouest après son passage mais si le flux était de Sud par exemple, le front avance alors en crabe et le vent tourne Ouest. En principe, après son passage, les vents tournent de 40° dans le sens horaire. L'arrière de front froid laisse place à la traîne qui souvent est trompeuse puisqu' après une accalmie, les averses reprennent le dessus dans une atmosphère fraîche. Le front lui-même et ses précipitations refroidissent l'atmosphère, stoppant ensuite la convection, qui reprendra avec l'ensoleillement qui caractérise le début de la traîne de la perturbation, de manière qui peut être plus ou moins active. Des fronts froids secondaires résultent d'un conflit de deux airs froids. Celui à l'arrière du front froid est encore plus froid et donne naissance à des nouveaux fronts souvent d'actualité dans des flux de Nord. Lignes de grain et orages sont à craindre dans ce type de configurations. 

A la suite de ces deux fronts se présente l'occlusion qui est entretenue par le conflit encore présent en altitude. L'occlusion peut se trouver rabattue si elle s'enroule autour de la dépression.

Pour établir cette partie pédagogique, le livre "Comprendre les secrets du temps" de Jacques Kessler est très utile. Une notion d'ondulation est très bien expliquée, en voici d'ailleurs l'extrait :

"L'ondulation : il s'agit d'une modification de la courbure du front froid, suite à la naissance d'un conflit secondaire entre l'air chaud et l'air froid situés de part et d'autre de ce front. Cette ondulation peut devenir à son tour une nouvelle perturbation. La notion de zone de liaison : il s'agit de la traduction par une écharpe nuageuse d'un lien entre deux perturbations, du front froid de la première au front chaud de la seconde. Plusieurs perturbations peuvent ainsi être reliées, lorsque le courant d'Ouest est bien établi."

Lorsque les courants ne sont pas zonaux, les fronts ne sont pas organisés pareil. Dans un flux méridien de Nord, ce qui est logique, il n'y a souvent qu'un front froid (car pas assez d'air chaud pour matérialiser un front chaud, le conflit ne se faisant qu'entre un air froid et un air encore plus froid). Dans des flux de Sud Ouest ou Sud, nous avons souvent affaire à des ondulations (fronts ondulants donnant des épisodes cévenols par exemple en Méditerranée). Enfin les retours d'Est sont souvent dus à des rabattements d'occlusion venant d'une dépression sur l'Europe Centrale.

 

Structures nuageuses et évolution

Les perturbations sont en fait des organisations nuageuses. Les nuages sont des amas d'hydrométéores soit d'eau soit de glace. Nous nous apercevons tous en observant le ciel au dessus de nous que les nuages sont disposés en étages. Il existe en effet trois étages principaux qui regroupent les différents genres, espèces et variétés de nuages. Nous énumérerons dans cette rubrique tous les genres, quelques espèces et variétés de nuages mais toutes les photos ne seront pas insérées. C'est la raison pour laquelle vous êtes conviés, si vous possédez des photos de nuages non insérées ici même à nous les faire parvenir pour enrichir cette rubrique. Écrivez nous par le biais de cette page !

Dans la plupart des cas, la nébulosité est due au refroidissement des vapeurs ascendantes qui sont elles même dues à un conflit de masse d'air logiquement. Il y a par conséquent saturation entre les masses d'air; la masse d'air chaude se soulevant sur la masse d'air froide. De vastes étendues nuageuses peuvent alors se former à échelle dite synoptique. A échelle plus petite, des nuages peuvent se former par convection comme les cumulus ou cumulonimbus (nuages d'orages). Il est également bon de savoir que la formation nuageuse s'atténue lorsque l'air est "nuageux" par manque de dégagement de chaleur et donc d'ascendance. La rétroaction nuageuse existe donc bel et bien.

Avant de se lancer dans l'énumération et les caractéristiques nuageuses, revenons à notre ami Jacques Kessler et ses deux explications assez parlantes sur les entrées maritimes et les effets de fœhn :

"Les entrées maritimes sont des nuages bas du type stratus ou stratocumulus qui se forment parfois lorsque s'établissent les vents de mer. La saturation est provoquée par cet apport d'humidité. Le fait est à signaler, car dans la plupart des cas, au dessus des terres, c'est la baisse du seuil de saturation qui provoque la condensation tandis que l'humidité totale reste constante.

Le fœhn lui, consiste à un assèchement de l'air après son passage au dessus d'une barrière montagneuse. Sur le versant exposé au vent, l'ascendance forcée de l'air provoquera la saturation, donc la formation de nuages. L'effet de fœhn suppose qu'il y ait de la pluie afin que l'air perde une grande partie de l'eau qu'il contenait. La saturation cesse alors peu après le passage de la crête. Le versant situé sous le vent bénéficie lui d'un temps sec et clair avec un réchauffement de l'air. Les effets de fœhn peuvent être de grande échelle ( flux de Sud sur les Pyrénées ou locaux )"

Lors d'effets de fœhn, les versant "sous le vent" comme l'indique Jacques Kessler se retrouve envahit par des nuages d'altitude de l'étage supérieur. Cet étage supérieur qui se retrouve de 5000 à 15000 m environ englobe des nuages en couches ou nuages stratiformes.

Cirrus, Cirrocumulus et Cirrostratus sont constitués en général de cristaux de glace minuscules. Cirrus et cirrocumulus se distinguent souvent bien à l'avant de perturbations. Ceux ci peuvent entraîner d'ailleurs avec eux des virgas si le front suivant s'avère orageux. Les cirrus sont des nuages fibreux, filamenteux et blanchâtres. Les cirrocumulus eux se disposent en bancs, nappes ou couches minces de nuages blancs, sans ombre propre. Ils sont composés de petites parties en forme de rides ou de granules. Les cirrostratus enfin se caractérisent par la formation de halos autour de la lune ou du soleil. Ces trois genres peuvent se découper en différentes espèces telles que fibratus ( fibreux et filamenteux ), uncinus ( en virgule, queue de cheval ), spissatus ( dense ).

   

Cirrus fibratus ( certains undulatus ) de l'étage supérieur.

Cirrus spissatus résultant d'une enclume de cumulonimbus

 

A l'étage moyen, de 2000 à 7000 m, nous retrouvons toute la série des alto : altocumulus et altostratus. Les altocumulus, les plus connus sont souvent synonyme de dégradation, orageuse ou non. Les altocumulus se retrouvent souvent dans le secteur chaud lors de dégradations orageuses. Qu'ils soient floccus ou castellanus, ces altocumulus peuvent être également undulatus, floccus ou stratiformis. Tous les genres d'altocumulust peuvent être présents lors de thalweg, gouttes froides ou fronts orageux. Les "accas" (altocumulus castellanus ) sont typiques des dégradations orageuses à venir. En forme de tourelles, ils peuvent aller jusqu'à une cumulification complète. L'instabilité, indiquée par ces types de nuages entraîne souvent les ciels dits chaotiques, lors de couverture d'alto et de cirro assez importante. Les altocumulus sont des nuages pommelés, dont la présence est synonyme de mauvais temps. Ils sont en bancs, nappes, ou en couches blanches ou grises. Ils sont constitués de lamelles, de galets ou de rouleaux. Ils ont généralement une ombre propre. La diffusion de la lumière par les gouttelettes d'eau qui les composent donne souvent lieu au phénomène de couronne autour du Soleil ou de la Lune.  Les altostratus eux sont sous forme de voile dense et opaque laissant percer le soleil difficilement. L'espèce lenticularis caractéristique des effets de fœhn est apparentée à des strates superposées en forme de coupoles.

  

Altocumulus floccus qui précèdera une dégradation orageuse de faible intensité.

 

Altocumulus lenticularis, par journée de fœhn sur les Pyrénées

A l'étage inférieur, nous retrouvons les stratocumulus et les stratus, peu intéressants, amenant de fines précipitations ou des pluies faibles à modérées. Les nimbostratus englobent quand à eux plusieurs étages comme les cumulus et cumulonimbus.

Les cumulus, fractus, médiocris, humilis ou congestus sont les nuages les plus connus et les plus attractifs. Ces nuages prennent naissance à l'étage inférieur et sont constitués de gouttelettes d'eau sauf les congestus qui au sommet peuvent présenter des cristaux de glace, d'où leur aspect mousseux et blanchâtre au sommet. Ces cumulus ressemblent à des amas de coton présentant leur contour nettement. Les cumulus médiocris sont souvent des nuages de beau temps due à une toute petite convection. Si l'atmosphère est instable, en raison de basses pressions, de thalweg ou d'air froid en altitude, les cumulus vont grossir et donner naissance à des cumulus humilis, médiocris puis congestus qui provoqueront des averses.

Cumulus congestus bien développé.

Cumulus médiocris, quasi congestus sur les Pyrénées Ariégeoises

Les cumulonimbus, nuages d'orage, adorés des passionnés météo. La description du phénomène de congestion et de formation de cumulonimbus est assez complexe, le livre d'Alex Hermant "Traqueur d'orage" pourra vous aider à mieux comprendre les phénomènes qui entrent en jeu. Il faut savoir qu'il existe deux espèces de cumulonimbus : calvus et capillatus. Ces cumulonimbus sont de gros nuages reflétant l'évolution ultime des cumulus. Les calvus se présentent avec un aspect plus mousseux au sommet, mais l'électricité à l'intérieur de ce nuage est déjà présente. Le capillatus est le stade "enclume" du cumulonimbus, des filaments sont observés au sommet, le nuage est en cours de désagrégation mais s'avère très actif.

Cumulonimbus calvus arrivant à mâturité, de nuit avec éclair internuageux (photo de mauvaise qualité)

Les variétés de nuages sont aussi très nombreuses, nous pouvons citer par exemple intortus (filaments enchevêtrés), lacunosus, perlucidus, opacus ou bien encore mammatus, arcus (rouleau horizontal présent lors de fronts de rafale), tuba, pileus, virgas, velum et bien d'autres encore.

Mammatus au coucher du soleil

Autres mammatus

La formation des nuages d'orages, le mécanisme déclencheur des orages etc fera l'objet d'une nouvelle sous rubrique pédagogique. Cette rubrique présentant un survol des mécanismes de frontologie par exemple se termine. Il est bien évidemment nécessaire de faire le lien avec la prévision et donc la partie "explications des modèles numériques". D'autre part, nous connaissons mieux à présent les différents genres de nuages, leurs caractéristiques etc... Il est donc évident qu'une sous rubrique pédagogique consacrée aux météores et aux vents sera d'actualité.

Atmosphère, mécanique des fluides, frontologie et systèmes perturbés ainsi que complexes nuageux sont désormais appréhendés. Nous vous invitons à patienter quelques temps afin de découvrir de nombreuses autres sous rubriques pédagogiques ! Le livre de Jacques Kessler "Comprendre les secrets du temps" fut d'une aide précieuse à l'élaboration de cette rubrique pédagogique.

Pour toutes questions ou publier vos photos non présentes dans cette sous rubrique, écrivez nous par le biais de cette page !