Lecumulonimbus, de la famille descumulus, est lenuage qui présente la plus grande extension verticale[1],[2]. Sabase se situe en général de quelques centaines de mètres à 3 500 mètres du sol[3],[4].Son sommet dépasse parfois latropopause ; il peut donc culminer à des altitudes allant de 8 000 à 18 000 mètres[5],[6],[7] voire 20 km[8]. En fin d'évolution, sa partie supérieure ressemble à uneenclume, et l'on parle alors decumulonimbus capillatus, par opposition aucumulonimbus calvus (étape de transition entre lecumulus congestus et lecumulonimbus 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 uncirrus spissatus cumulonimbogenitus (cirrus épais né d'un cumulonimbus).
Les cumulonimbus sont des nuages d'origineconvective, membres de la classe descumulus. 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[10].
Les cumulonimbus dits demasse d'air, typiquement les orages en été de fin d'après-midi et qui sont relativement bénins, se forment à la suite de la convection causée par le réchauffement solaire de l'air près du sol, en l'absence de forçages dynamiques[10]. 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 desorages qui en résultent. Ces derniers se développent en général à l'approche d'unfront froid ou par soulèvementorographique[10]. La plupart desorages violents sont de ce type.
L'apparition de l'enclume est la conséquence de l'étalement du cumulonimbus au niveau de latropopause (nom donné à la limite entre latroposphère et lastratosphère). 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[10].
En cas d'orage sévère, la différence entre la température de la masse d'air ascendante et celle de l'air extérieur peut entraîner une propagation du courant ascendant dans lastratosphère, il se forme alors unsommet protubérant appelé en anglaisovershooting dome[10].
Ce type de nuage donne lesorages. En fonction de son développement, il peut être le siège de manifestations électriques comme lafoudre, de chutes degrêle, depluie, de fortes précipitations, derafales descendantes et dans les cas les plus extrêmes, detornades. À cela s'ajoute le risque degivrage (présent lorsque la température de l'air extérieur est comprise entre -40 et 0 degrés Celsius) et de fortscisaillements 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 de5m/s). Par contre, les oragessupercellulaires ou dederechos peuvent avoir des courants ascendants dépassant40m/s à l'intérieur du nuage.
Vue aérienne d'un cumulonimbus avecpileus, volant à 11 000 mètres au-dessus du Brésil.
Il est généralement admis que les aéronefs devraient éviter de voler à proximité des cumulonimbus qui développent une énergie considérable. Le principal danger lié aux cumulonimbus est la présence derafales descendantes et d'une très forteturbulence dans les hautes couches du nuage dues à un effet de cisaillement entre les courants ascendants et descendants. Il existe d'autres dangers plus sournois comme la perte de repères visuels lorsqu'un aéronef est aspiré dans le nuage, lefoudroiement, legivrage dû à la présence d'eau surfondue en grande quantité et leshydrométéores comme lagrêle.
On distingue les types de cumulonimbus selon leur forme, celle-ci étant reliée au stade de maturité du nuage. Leurs caractéristiques dépendent de l'altitude atteinte dans un environnement spécifique decisaillement des vents et d’humidité, quels que soient l'endroit et la saison.
Cumulonimbus calvus entre unarcus (en bas) et un voile decirrus, pendant la mousson àMayotte.
Cumulonimbus calvus est le stade du cumulonimbus qui se situe entre lecumulus bourgeonnant et lecumulonimbus capillatus. Il atteint une extension verticale similaire à ce dernier mais n'a pas de sommet fibreux en forme d'enclume, le terme calvus signifiantchauve. Il se caractérise par un aspect de bulles rondes et blanches et un sommet bien défini[10].
Ce type de cumulonimbus est surtout formé de gouttelettessurfondues, seul le sommet commence à contenir descristaux de glace. Il va donner desaverses fortes et peut produire de lafoudre nuage-nuage mais généralement pas degrêle[10]. Il peut également produire unfront de rafales qui pourra donner unarcus à sa base.
Lecumulonimbus capillatus est la dernière étape 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 dépassé leniveau d'équilibre et ralentissent leur ascension dans l'inversion de température de latropopause. 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 typecirrus au sommet lui donnant un aspect chevelu (capillatus enlatin)[10].
Lorsque ce cirrus forme un nuage plat semblable à uneenclume, on parle decumulonimbus capillatus incus (enclume en latin). Sa base très sombre s'accompagne fréquemment de nuages bas déchiquetés, soudés ou non avec elle, que l'on nommepannus. Dans certains cas, dessommets protubérants en forme dedômes surmontent l'enclume, révélant la très grande intensité du courant ascendant[10].
Uncumulonimbus pileus est un cumulonimbus surmonté d'un cirrus comme s'il avait un capuchon (pileus signifiecapuchon enlatin). Ce cirrus n'est pas directement relié au nuage convectif et se distingue de l'enclume du cumulonimbusincus en cela qu'il se forme plutôt au-dessus de l'orage à cause ducourant 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 lasaturation, l'humidité se condense pour former un cirrus par un effet similaire à l'effet de foehn.
La formation dupileus étant distincte du nuage sous-jacent, on peut en retrouver avec des cumulus ou des cumulus bourgeonnants. 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.
Ce nuage, officiellement appelécumulonimbus altocumulogenitus[22],[23] et officieusementaltocumulonimbus, se rencontre souvent lors du passage defronts chauds. Il est engendré par des ascendancesne partant pas du sol et a pour origine le sur-développement d'unaltocumulus castellanus. Ce nuage se produit lorsque l'atmosphère est conditionnellement instable aux niveaux moyens de l'atmosphère et est stable au sol. Il est souvent engendré par un forçage extérieur. Il évolue en général en un cumulonimbus standard qui est souvent plongé dans une masse denimbostratus. Il engendre souvent des précipitations durables et soutenues.
La photographie ci-contre montre des altocumulonimbus en voie de formation qui provoqueront des orages à base élevée (elevated convection en anglais).
Unpyrocumulonimbus (pyroCb) est un cumulonimbus qui se forme au-dessus d'une source intense de chaleur. Selon la nouvelle version de l'Atlas international des nuages paru en mars 2017, le nom officiel du pyrocumulonimbus devientcumulonimbus flammagenitus[24]. Ils ont été découverts lors defeux de forêt[25],[26]. 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 gouttelettes[27]. 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 latropopause et donner des précipitations, dont de lagrêle noircie par lasuie, de la foudre, des rafales descendantes et même parfois destornades[26],[28]. Cependant, ils vont donner en général beaucoup moins de précipitations que les cumulonimbus réguliers malgré leur forteextension verticale. En effet, l'étude par données desatellites etradars 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 denoyaux de condensation fournis par la fumée est très grand et mène à une forte compétition pour lavapeur d'eau disponible[27]. 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 lastratosphère, créant à petite échelle un effet similaire à l’hiver nucléaire en plus d'affecter la formation de l’ozone stratosphérique[29],[30].
Lechampignon atomique est aussi un type de pyrocumulonimbus. Le largage de labombe atomique surHiroshima se fit par temps clair. Peu après, le champignon atomique se forma et il commença à tomber de la pluie noire qui était pleine de suie radioactive. Cette pluie tua de nombreuses personnes. Le champignon atomique se développa dans lastratosphère et entraîna de nombreuses particules qui restèrent 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 empêcha 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 unorage supercellulaire. D'après le nouvel atlas, un tel nuage pourrait être appelécumulonimbus homogenitus car le champignon atomique n'est pas à l'origine engendré par l'incendie de la ville touchée[31].
Uncyclone tropical violent comprend en son centre unœil où le temps va de clair à peu nuageux. Autour, de cet œil, se trouve unmur de cumulonimbus en forme degradins de stade. C'est dans cette région que se retrouvent les vents violents les plus soutenus, allant jusqu'à la catégorie 5 de l'échelle de Saffir-Simpson, dus au gradient depression atmosphérique.
Gros cumulonimbus vu d'un avion de ligne volant à l'altitude de 32 000 pieds. L'enclume semble être à 50 000 pieds environ.
Les chiffres suivants proviennent de l'atlas international des nuages. La base du cumulonimbus est en général au-dessous de 2 km[33]. Le sommet du cumulonimbus dépasse souvent les 10 km[33] de hauteur. L'épaisseur d'un cumulonimbus varie entre 3 km et 15 km[33].
Ces chiffres sont à relativiser car il est courant que la base d'un nuage convectif soit nettement plus élevée soit en présence deconvection en altitude (elevated convection en anglais) ou soit en présence de conditions très sèches[34]. De plus le sommet d'un cumulonimbus peut atteindre 70 000 pieds[8] soit... 21 km ce qui est largement à l'intérieur de lastratosphère !
Vus d'en dessous les cumulonimbus ont en général une base sombre qui peut être concave. On rencontre fréquemment au-dessous de la base du cumulonimbus des nuages effilochés appeléspannus qui proviennent de l'évaporation-condensation de l'humidité au niveau du sol. Lorsque ces pannus sont soudés ils forment unarcus qui est un rouleau sombre à l'avant du nuage. La visibilité peut-être médiocre dans les précipitations. L'Atlas international des nuages affirme que laturbulence y est souvent très forte[33]. Cependant, Lescourants ascendants sous un cumulonimbus peuvent être extrêmementlaminaires, étendus et réguliers[14].
Les cumulonimbus sont constitués de gouttelettes d'eau dans leur partie inférieure qui peut être surfondue et de cristaux de glace dans leur partie supérieure. Cette eau surfondue est souvent présente en grande quantité et va provoquer rapidement un givrage de l'aéronef et peut-être provoquer un accident aérien. Dans les régions inférieures du nuage il fait sombre (et il peut même y faire nuit en plein jour[35]) et la visibilité est nulle. Dans la partie supérieure du nuage, l'éclairement peut être intense mais la visibilité reste médiocre. La turbulence est très forte à extrême[33] et de nombreux aéronefs se sont désintégrés dans des cumulonimbus.
Suivant leur stade de développement, ils apparaissent soit comme descumulus congestus, soit comme descirrus denses formant de vastes panaches ou ayant la forme d'enclumes. Lorsque ces nuages sont directement éclairés par le soleil, ils sont d'un blanc éblouissant. Ils peuvent émerger d'une masse de nuages stratiformes (ce sont alors desaltocumulonimbus) ou être entourés develum oupileus[36].
L'ancienne version de l'Atlas international des nuages de 1939 affirmait que les sommets des cumulonimbus pouvaient être vus jusqu'à 200 km de distance[37]. Si l'on connaît la distance de la cellule en question et si l'on suppose que l'on aperçoit juste la crête du cumulonimbus, alors la hauteur du cumulonimbus est donnée par lethéorème de Pythagore. SiR est le rayon de la Terre,d est la distance de la cellule orageuse et sih Est la hauteur du cumulonimbus, l'on a alors :
On peut légitimement supposer que et donc au premier ordre, l'on obtient :
On aR = 6366 km. Si l'on suppose qued = 200 km, alors
km.
Ainsi cette formule confirme que des cumulonimbus de hauteur très modérée peuvent être vus de fort loin. Si l'on suppose que les cumulonimbus font 21 km de hauteur, l'on obtient alors :
Historiquement, un cumulo-nimbus était défini comme un nuage cumuliforme engendrant des précipitations, sachant quenimbus est un mot latin signifiant nuage de pluie. La définition donnée dans une référence datant de 1907[38], englobait trois types de nuages car il y est dit que l'altitude dusommet d'uncumulo-nimbus varie entre 3 000 mètres et 8 000 mètres ; alors que labase du nuage est à 1 400 mètres [sic] quelles que soient les conditions[38]. Dans ces conditions, on pourrait ainsi avoir un « cumulonimbus » d'épaisseur limitée à 1 600 mètres. Cette définition ignore le fait que labase du nuage varie en fait avec l'écart entre la température et lepoint de rosée au sol lors de leur production, et que son sommet dépend de la structure de température en altitude. Il est à noter que cette définition a été proposée à la suite d'observations à partir du sol, avant la généralisation desradiosondages et de l'aviation permettant de mieux connaître les caractéristiques des masses d'air où ces nuages se développent. Cependant, la définition ducumulo-nimbus donnée parAlfred Angot en 1899 (qui est donc antérieure) est plus correcte car l'auteur admet que la base et le sommet descumulo-nimbus peuvent varier[39]. La notion decumulo-nimbus au sens d'Angot recouvre les modernescumulus mediocris,cumulus congestus et cumulonimbus chacun pouvant donner des précipitations[40].
Un cumulonimbus est un genre de nuage à part entière qui n'est pas un nimbus qui s'est accumulé comme pourrait laisser croire l'orthographe obsolètecumulo-nimbus. Ainsi, l'orthographe de 1990 recommande l'abandon de cette graphie qui est ambigüe. Cependant, cette orthographe est encore assez souvent utilisée dans des documents officiels français[41] (et aussi autrefois dans ledictionnaire Larousse[42], orthographe qui a été corrigée à ce jour). Comme un cumulonimbus n'est qu'un cas particulier de l'anciencumulo-nimbus, on se doit de suivre la graphie de l'Atlas international des nuages (cumulonimbus)[1] qui fait foi et est antérieure auxrectifications orthographiques de 1990. On notera queMétéo-France a utilisé l'orthographe normalisée, même dans les ouvrages plus anciens[3].
De nos jours, ce terme decumulo-nimbus (d'après Angot) désigne donc autant lescumulus congestus que les cumulonimbus (voire lescumulus mediocris) qui sont des cumulus à forteextension verticale mais ayant des caractéristiques différentes.
↑Service de la formation aéronautique et du contrôle technique (collectif),Manuel du pilote de vol à voile, Toulouse, Cépaduès,,9eéd., 290 p.(ISBN978-2-85428-895-7),p. 142.
Documentaire sur les orages deBelgorage. En 26 minutes, celui-ci propose un survol des connaissances de bases des orages telles que la genèse d'une cellule orageuse, l'électrisation des nuages, le niveau kéraunique mondial, les types de coups de foudre, la genèse d'un coup de foudre descendant négatif, etc.
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