Etat de la masse d'air et notion de convection

On considère qu'une masse d'air est stable lorsque la température d'une parcelle d'air soulevée diminue plus rapidement avec l'altitude que celle de l'air environnant.
A l'inverse, une masse d'air est dite instable lorsque la température de cette parcelle d'air soulevée diminue plus lentement avec l'altitude que celle de l'air environnant. Cette parcelle d'air sera donc plus chaude que l'air ambiant, plus légère et aura donc tendance à s'élever, à la façon d'une montgolfière. On parle ainsi d'instabilité notamment lorsque de l'air chauffé près du sol est surmonté par de l'air plus frais en altitude. Dans ce cas-là, l'air chaud qui s'élève depuis le sol va lentement se refroidir en prenant de l'altitude, au point de déclencher la condensation de la vapeur d'eau contenue dans l'air. Des gouttelettes se forment alors : un nuage se forme. Ce nuage continuera de se développer en altitude aussi longtemps que l'air qu'il contient sera plus chaud que l'air environnant. Ce mécanisme, appelé convection, donne naissance aux nuages du genre Cumulus.

Le développement du Cumulonimbus et la naissance de l'orage

Ces Cumulus, s'ils se développent à l'extrême (instabilité forte), finissent par voir leurs sommets atteindre le sommet de la troposphère. Cette limite, dénommée tropopause, qui sépare la troposphère de la stratosphère, se caractérise par une inversion de température. On entend par là le fait que la température de l'air s'accroît avec l'altitude au lieu de s'abaisser. Cette inversion est infranchissable pour les nuages : les Cumulus, ne pouvant plus s'étendre vers le haut, s'étalent horizontalement. A ce stade, on ne parle plus de Cumulus, mais de Cumulonimbus.

Le Cumulonimbus est ainsi un Cumulus qui a pris des dimensions colossales. Un Cumulus de petite taille (Cumulus humilis) ne fait ordinairement qu'un kilomètre d'épaisseur ; un Cumulus de taille moyenne (Cumulus mediocris) peut se développer sur 3 à 4 km de hauteur ; un Cumulus très développé (Cumulus congestus) pourra bourgeonner sur plus de 6 km d'épaisseur. Le Cumulonimbus, pour sa part, se développe sur 7 à 12 km d'altitude sous nos latitudes.

Un nuage de ces dimensions possède des caractéristiques réellement impressionnantes. Ce sont ainsi plusieurs millions de tonnes d'eau sous forme liquide ou de glace qui sont contenues dans un Cumulonimbus, pour un poids total de plusieurs milliards de tonnes. Pour maintenir en vie un nuage de cette envergure, ce sont 700.000 tonnes d'air qui sont aspirées chaque seconde par le nuage orageux, soit près de 600.000 tonnes de vapeur d'eau chaque minute. Cette gigantesque usine nuageuse produit en moyenne 4.000 tonnes de précipitations chaque seconde, qui s'abattent au sol sous forme de pluie ou de grêle.
Une telle usine fourmille de collisions innombrables entre les gouttes d'eau, les grêlons et les cristaux de glace qui circulent dans le nuage. Cette agitation finit par créer des charges électrostatiques, généralement positives pour les cristaux de glace qui, légers, se concentrent surtout dans la partie supérieure du nuage, généralement négatives pour les gouttes d'eau qui, plus lourdes, tendent à descendre vers les parties inférieures du nuage. Cette répartition est toutefois, encore aujourd'hui, sujette à discussion dans la mesure où une organisation plus complexe des charges électriques dans les Cumulonimbus est probable, avec une superposition de plusieurs "couches" de polarités opposées.
Ces champs opposés qui coexistent au sein du Cumulonimbus finissent par dépasser les limites tolérables pour l'atmosphère... des décharges électriques surpuissantes se déclenchent au coeur du nuage : les éclairs zèbrent le ciel et le tonnerre gronde... l'orage est né !

         
Différentes étapes de formation du cumulus humilis au cumulonimbus en passant par le cumulus mediocris et le cumulus congestus :