Chapitre 5 sur 17 · L'eau et le temps qu'il fait
Chapitre 4. Pluie, neige et grêle
Comment une gouttelette de nuage devient une goutte qui tombe, comment on nomme chaque forme de précipitation, et ce que veut dire un millimètre de pluie.
Ce qui fait qu'une gouttelette finit par tomber
Un nuage est plein d'eau et il ne tombe pas : le chapitre précédent a expliqué pourquoi. Ses gouttelettes sont trop petites pour vaincre les mouvements de l'air. Reste donc à comprendre ce qui change quand il pleut, car il pleut bel et bien, et le nuage est le même objet cinq minutes avant.
Ce qui change tient en un mot : la taille. Météo-France le formule directement, à propos des gouttelettes d'un nuage : « En s'agglomérant entre elles, elles peuvent s'alourdir et tomber. » Le passage du nuage à l'averse n'est donc pas un changement de nature, c'est un changement d'échelle. Une gouttelette qui grossit finit par descendre plus vite que l'air ne monte, et alors elle sort du nuage par le bas.
Ce chapitre suit ce grossissement, puis nomme précisément ce qui arrive au sol. La nomenclature n'est pas une élégance : elle est ce qui permet de comparer une averse relevée dans un village et une averse relevée à mille kilomètres de là. Il se termine sur la mesure, qui est le geste par lequel une observation devient une donnée.
Les objectifs de ce chapitre
Chacun s'observe. À la fin du chapitre, ou bien vous le faites, ou bien vous savez quelle section relire.
- Expliquer par quels mécanismes une gouttelette de nuage devient une goutte de pluie.
- Nommer chaque forme de précipitation à partir de son état et de sa taille.
- Traduire une hauteur de pluie en millimètres en un volume d'eau reçu sur une surface donnée.
- Relever une hauteur de pluie avec un pluviomètre construit à la maison, et noter le relevé dans un tableau daté.
- Dire ce que mesure un radar météorologique, et à quelle cadence il le fait.
Ce que ce chapitre suppose déjà acquis
Deux prérequis, installés par les chapitres précédents de ce volume : les états de l'eau et la solidification d'une part, la composition d'un nuage et ses courants ascendants d'autre part.
Deux chemins pour grossir
Une gouttelette de nuage peut grossir de deux façons, et les deux existent en même temps dans une bonne partie des nuages des latitudes tempérées.
Le premier chemin est le plus simple à se représenter : les gouttelettes se rencontrent et fusionnent. Un nuage est un milieu agité, les gouttelettes n'y descendent pas toutes à la même vitesse, les plus grosses rattrapent les plus petites et les absorbent. Chaque fusion produit une gouttelette un peu plus grosse, donc un peu plus rapide, donc un peu plus efficace pour en rattraper d'autres. Le processus s'emballe de lui-même, et c'est ce qui explique qu'une averse puisse se déclencher en quelques minutes.
Le second chemin passe par la glace, et il concerne les nuages assez hauts pour être froids. Le chapitre 3 a établi, avec Météo-France, qu'un nuage est fait « de fines gouttelettes d'eau et de cristaux de glace en suspension » : les deux états y coexistent. Un cristal de glace grossit vite, il devient lourd et il descend. S'il traverse ensuite une couche d'air au-dessus de zéro degré, il fond en chemin et arrive au sol sous forme de pluie. C'est un fait souvent ignoré : une part de la pluie des régions tempérées est de la neige qui a fondu pendant sa chute.
Dans un cumulonimbus, les courants ascendants sont si puissants qu'un grêlon peut être remonté plusieurs fois vers le haut du nuage avant de tomber pour de bon. À chaque passage, il se couvre d'une nouvelle couche de glace. C'est pourquoi un grêlon coupé en deux montre des couches concentriques, comme un oignon, et pourquoi les plus gros grêlons viennent des nuages aux courants les plus violents.
Nommer ce qui tombe
Météo-France définit les précipitations comme des « particules d'eau, à l'état liquide ou solide, qui chutent dans l'atmosphère ». Deux mots comptent : particules d'eau, donc de l'eau et rien d'autre ; qui chutent, donc en mouvement vers le bas. Un brouillard, dont les gouttelettes restent en suspension, n'est pas une précipitation.
La distinction entre pluie et bruine se fait sur une taille, et sur une seule. Météo-France parle de pluie pour des gouttes de diamètre « supérieures à 0,5 millimètres », et de bruine pour des « gouttelettes très fines » dont « le diamètre n'excède pas 0,5 mm ». Une bruine paraît d'ailleurs flotter plus que tomber, tant ses gouttelettes descendent lentement.
La neige se forme, toujours selon Météo-France, « quand la température de l'air est négative ou avoisine 0° C ». Retenez le mot avoisine : il n'est pas nécessaire qu'il gèle au sol pour qu'il neige, et de la neige peut atteindre le sol par une température légèrement positive si l'air est assez sec.
La grêle est définie par une taille elle aussi : ce sont des « particules de glace de diamètre supérieur à 5 mm : les grêlons ». Le grésil est l'autre forme de glace que Météo-France nomme, faite de grains plus petits et plus tendres que les grêlons ; la source ne lui fixe pas de diamètre, et ce volume n'en invente pas. Enfin, une giboulée est décrite comme une « brève averse » qui mélange « pluie, grêle, grésil, neige, neige fondue » : c'est un mélange, pas une catégorie à part.
| Nom | État de l'eau | Le critère qui tranche | Ce que l'on observe |
|---|---|---|---|
| Bruine | Liquide | Diamètre n'excédant pas 0,5 mm | Des gouttelettes très fines, qui semblent flotter et mouillent lentement. |
| Pluie | Liquide | Diamètre supérieur à 0,5 mm | Des gouttes nettes, qui font des ronds dans les flaques. |
| Neige | Solide | Température de l'air négative ou avoisinant 0 degré | Des cristaux ou des flocons, qui descendent lentement en tournoyant. |
| Grésil | Solide | Grains de glace plus petits et plus tendres que les grêlons ; aucun diamètre ne le définit à la source | De petits grains qui rebondissent sur le sol. |
| Grêle | Solide | Particules de glace de diamètre supérieur à 5 mm | Des grêlons, qui frappent fort et brièvement, en averse. |
| Giboulée | Mélange | Une brève averse qui mêle plusieurs formes | Pluie, grêle, grésil, neige et neige fondue en quelques minutes. |
Les mots à retenir
Trois mots, dont un qui est une unité et qui vaut à lui seul la moitié du chapitre.
- Une précipitation
- Une particule d'eau, à l'état liquide ou solide, qui chute dans l'atmosphère. Un nuage et un brouillard n'en sont pas : leurs gouttelettes restent en suspension.
- Le millimètre de pluie
- L'unité de la hauteur d'eau tombée. Un millimètre de pluie est la hauteur qu'atteindrait l'eau si elle restait sur place sans s'écouler ni s'infiltrer. Selon Météo-France, « 1 mm de pluie équivaut à 1 litre d'eau par m² ».
- Une averse
- Une précipitation brève, qui commence et cesse brusquement, et dont l'intensité varie vite. Elle vient de nuages en tas, cumulus et cumulonimbus, et non de couches étendues.
Mesurer la pluie : une hauteur, pas un volume
La pluie se mesure en millimètres, et c'est le point qui surprend le plus. On pourrait croire qu'il faudrait un volume, en litres ou en mètres cubes. Mais un volume dépendrait de la taille du récipient : un grand seau recueille plus qu'un verre sous la même averse. Une hauteur, elle, ne dépend de rien. Sous une même pluie, un seau et un verre à parois droites se remplissent à la même hauteur.
C'est cette indépendance qui fait de la hauteur la bonne unité, et l'équivalence donnée par Météo-France en découle directement : « 1 mm de pluie équivaut à 1 litre d'eau par m² ». Un millimètre paraît peu, un litre par mètre carré parle davantage, et pourtant c'est la même chose dite deux fois.
L'instrument qui mesure cette hauteur est le pluviomètre. Sa forme importe : ses parois doivent être droites et verticales, sinon la hauteur relevée ne correspond plus à la hauteur tombée. Il doit être posé à l'écart de tout ce qui pourrait l'abriter ou, au contraire, l'arroser en ruisselant : un arbre, un mur, un rebord de toit. Le chapitre sur la mesure reviendra sur cette règle, qui vaut pour tous les instruments.
À grande échelle, ce ne sont plus des pluviomètres qui suivent la pluie mais des radars. Météo-France en disposait de quarante à la date où ce volume a vérifié ses sources, chacun avec « une portée d'environ 100 km pour la mesure », et il en tire des « images radar toutes les 5 minutes ». Le nombre de radars d'un réseau change au fil des installations : c'est la date de vérification, au colophon, qui dit de quand parle ce chiffre. Un radar ne recueille rien : il envoie une onde et mesure ce que les gouttes lui renvoient. C'est pour cela qu'il voit la pluie en altitude, parfois avant qu'elle ne touche le sol, et c'est aussi pour cela qu'un pluviomètre reste nécessaire pour savoir ce qui est réellement tombé.
Le piège de ce chapitre : additionner des millimètres de pluie et des centimètres de neige. Ce ne sont pas les mêmes grandeurs. Un relevé de pluie mesure une hauteur d'eau liquide ; un relevé de neige mesure une épaisseur de manteau, et cette épaisseur dépend de la façon dont les flocons se sont empilés. Une même quantité d'eau peut donner un manteau épais et léger par grand froid, ou un manteau mince et lourd par température proche de zéro. C'est pourquoi les services météorologiques font fondre la neige recueillie avant de la mesurer : ils ramènent tout à la même unité, la hauteur d'eau, sans quoi deux relevés ne se comparent pas.
Exemple travaillé. Combien d'eau une cour a-t-elle reçu ?
Énoncé : « Un pluviomètre a relevé 12 mm de pluie pendant la nuit. La cour de l'école mesure 20 mètres sur 15. » Quel volume d'eau est tombé sur cette cour ? Exemple entièrement guidé.
- Écrire ce que l'on cherche
On cherche un volume d'eau, en litres, tombé sur une surface connue. On ne cherche ni une hauteur, ni une durée. - Écrire ce que l'on emploie, et pourquoi
On emploie une seule relation, celle donnée par Météo-France : 1 mm de pluie équivaut à 1 litre d'eau par mètre carré. Elle convient exactement, parce qu'elle relie une hauteur en millimètres à un volume par unité de surface, et que l'énoncé donne une hauteur et une surface. - Calculer la surface
La cour mesure 20 mètres sur 15 mètres. Sa surface vaut 20 fois 15, soit 300 mètres carrés. - Traduire la hauteur en litres par mètre carré
12 mm de pluie équivalent à 12 litres d'eau par mètre carré, par application directe de la relation. - Multiplier
Chaque mètre carré a reçu 12 litres, et il y a 300 mètres carrés. Le volume total vaut 12 fois 300, soit 3 600 litres. - Vérifier l'ordre de grandeur
3 600 litres, c'est 3,6 mètres cubes, soit à peu près le contenu d'une petite citerne de jardin. Pour une nuit de pluie modérée sur une cour d'école, l'ordre de grandeur est plausible. Une vérification d'ordre de grandeur attrape la plupart des erreurs de calcul, et elle prend cinq secondes. - Le résultat
La cour a reçu 3 600 litres d'eau, soit 3,6 mètres cubes. Et l'on comprend au passage pourquoi une averse de quelques millimètres peut mettre en charge une gouttière : la hauteur est faible, la surface ne l'est pas.
Expérience 5. Construire et poser un pluviomètre
Ce qu'il faut : un bocal ou une boîte à parois DROITES et verticales, une règle graduée, un feutre indélébile, quelques cailloux, un cahier. SÉCURITÉ : cette expérience se fait avec l'accord d'un adulte, et l'adulte est présent. C'est l'adulte qui choisit l'emplacement extérieur et qui cale le récipient ; on ne monte sur rien, on ne s'approche d'aucun rebord, et le récipient de verre reste au sol, calé par des cailloux, jamais posé en hauteur d'où il pourrait tomber. Après une averse, la vérification se fait quand l'adulte juge que l'on peut sortir.
- Choisir un récipient à parois droites
C'est la seule contrainte de forme, et elle est absolue. Un bocal qui s'évase ou se resserre fausse la hauteur relevée : l'eau y monte plus ou moins vite selon le niveau, et le relevé ne veut plus rien dire. - Graduer le récipient
Posez la règle contre la paroi extérieure, le zéro exactement au fond intérieur, et tracez au feutre un trait tous les cinq millimètres. Écrivez les nombres. Vérifiez deux fois la position du zéro : une graduation décalée fausse tous les relevés de la même quantité, ce qui est l'erreur la plus difficile à repérer ensuite. - Poser le pluviomètre à découvert
Avec l'adulte, choisissez un endroit dégagé, loin d'un mur, d'un arbre et d'un rebord de toit. Un pluviomètre sous un arbre relève moins que la réalité ; sous une gouttière, il relève beaucoup plus. Calez-le avec des cailloux pour que le vent ne le renverse pas. - Relever après chaque épisode de pluie
Notez dans le cahier la date, l'heure, et la hauteur lue. Lisez toujours à hauteur d'œil et au bas du ménisque, c'est-à-dire au bas de la courbe que l'eau forme contre la paroi. - Vider entièrement après chaque relevé
Un pluviomètre non vidé additionne deux épisodes sans le dire. Videz-le complètement, essuyez le fond, et remettez-le en place au même endroit. - Traduire les relevés en litres par mètre carré
Ajoutez une colonne au cahier. Chaque millimètre relevé vaut un litre par mètre carré. Au bout d'un mois, additionnez : vous saurez combien d'eau votre cour ou votre jardin a reçu, et ce nombre-là parlera davantage qu'une liste de millimètres. - Comparer avec une source publique
Comparez votre total mensuel avec le relevé publié pour votre région. Un écart est normal, et c'est instructif : une station officielle mesure en un point, et la pluie peut varier fortement sur quelques kilomètres, surtout en averses.
Ce qu'il faut retenir de ce chapitre
- Une gouttelette devient une goutte de pluie en grossissant, par fusion avec d'autres gouttelettes ou par passage par l'état solide en altitude.
- Une précipitation est une particule d'eau, liquide ou solide, qui chute dans l'atmosphère.
- Le critère qui sépare la bruine de la pluie est un diamètre de 0,5 mm ; la grêle est définie par un diamètre supérieur à 5 mm, tandis que le grésil, plus fin, n'est défini par aucun diamètre à la source.
- La pluie se mesure en hauteur, et non en volume, parce qu'une hauteur ne dépend pas de la taille du récipient.
- Un millimètre de pluie équivaut à un litre d'eau par mètre carré.
- Un pluviomètre à parois droites, posé à découvert et vidé après chaque relevé, donne une mesure comparable ; un radar suit la pluie sur environ cent kilomètres, avec une image toutes les cinq minutes.
Auto-évaluation du chapitre 4
Répondez par écrit, avec les seules connaissances données par ce volume jusqu'ici. Le corrigé est regroupé en fin de volume.
- Un nuage identique à celui d'il y a une heure donne maintenant une averse. Qu'est-ce qui a changé, et pourquoi cela suffit-il ? Nommez ensuite les formes que peut prendre ce qui tombe d'un nuage, en donnant pour chacune l'état de l'eau et le critère qui la sépare de sa voisine.
- Un pluviomètre relève 8 mm. Un toit mesure 9 mètres sur 6. Quel volume d'eau la gouttière a-t-elle dû évacuer ? Détaillez votre raisonnement.
- Pourquoi mesure-t-on la pluie en hauteur plutôt qu'en volume ? Donnez l'argument, pas seulement la règle.
- Un pluviomètre est posé contre un mur, sous l'avancée d'un toit. Citez les deux erreurs de mesure possibles, et dites dans quel sens chacune fausse le relevé. Dites enfin ce qu'un radar météorologique mesure, sur quelle portée, à quelle cadence, et pourquoi il ne dispense pas d'un pluviomètre.
- Expliquez pourquoi un service météorologique fait fondre la neige recueillie avant de la mesurer.