En cas d’instabilité potentielle élevée dans l’atmosphère, la convection peut provoquer des orages accompagnés de puissants courants ascendants. Ces courants sont nécessaires pour que l’eau et les particules de glace restent suffisamment longtemps en suspension, permettant à la grêle de se former. Le processus de formation de la grêle est représenté sous forme de schéma dans la figure 2. Les masses d’air humide ascendant refroidissent et, à partir d’une certaine altitude, atteignent le point de condensation auquel la vapeur d’eau commence à se condenser et à former des gouttelettes d’eau (chiffre 1, fig. 2). Les courants ascendants transportent les gouttelettes vers le haut. Arrivées à une certaine altitude au-delà du point de congélation, à savoir à la limite de l’isotherme 0°C, une partie des gouttelettes ascendantes gèle et forme des cristaux de glace, puis des embryons de grêle. L’eau résiduelle qui reste liquide à des températures négatives est appelée «eau surfondue». À chaque fois qu’ils rencontrent de l’eau surfondue ou des cristaux de glace, les embryons de grêle grossissent. On parle de grêlon à partir d’un diamètre de 5 mm.
Plus un grêlon est maintenu longtemps en suspension, plus l’eau surfondue s’agglomère à sa surface et le fait grossir. Lorsqu’il devient trop lourd, le grêlon redescend (chiffes 2 à 3, fig. 2). En redescendant, le grêlon continue à grossir au contact des cristaux de glace, de l’eau surfondue et, plus bas dans le nuage, des gouttelettes d’eau. Si les courants ascendants sont assez puissants, le grêlon est une nouvelle fois projeté vers le haut et grossit jusqu’à ce que les courants ascendants ne puissent plus le retenir (chiffres 3 et 4, fig. 2). Ce processus peut se répéter plusieurs fois.
Les allers-retours à l’intérieur du nuage confèrent aux grêlons une structure en pelure d’oignon constituée de différentes couches bien visibles (voir fig. 3). Deux processus de croissance distincts sont à l’origine de ces couches. À des altitudes plus basses et donc plus chaudes, les grêlons rencontrent des gouttelettes d’eau et de l’eau surfondue qui enrobent le grêlon d’une fine couche liquide. Celle-ci gèle et forme une couche translucide. Dans les zones plus élevées du nuage où la température avoisine les -40°C, l’eau surfondue gèle en cristaux de glace qui s’accrochent directement au grêlon, ce qui produit des bulles d’air dans la glace et crée une couche de glace opaque
Lorsque les courants ascendants sont trop faibles pour maintenir les grêlons en suspension, ceux-ci tombent du nuage sur la surface de la terre (chiffres 6 à 7, fig. 2). Pendant leur chute, les grêlons commencent à fondre au contact de l’air plus chaud. Si un grêlon fond complètement avant d’atteindre le sol, il se transforme en une goutte de pluie. Sinon, il arrive au sol sous forme de grêlon.
À l’intérieur du nuage, les grêlons peuvent atteindre la grandeur d’un ballon de football. Puis, lorsqu’ils tombent, ils fondent et perdent jusqu’à la moitié de leur taille. En Suisse, des grêlons de taille extrême, mesurant jusqu’à 10 cm de diamètre, ont été recensés au cours des dernières décennies. Lors d’une tempête de grêle en 1917, les sources historiques parlent même de grêlons de 13 cm de diamètre. Le diamètre du plus gros grêlon jamais recensé dans le monde mesurait plus de 20 cm (severe-weather.eu, 2020).
