La grêle est constituée de particules de glace de diamètre supérieur à 5 mm : les grêlons.
Les épisodes de grêle se produisent en général lors d'orages violents, au sein de cumulonimbus. Moins de 10 % des cumulonimbus donnent de la grêle atteignant le sol.
 

Comment se forment les grêlons ?

Au sein des cumulonimbus, il existe de forts courants ascendants et descendants entre la base, chaude et humide, et le sommet très froid du nuage. La glace se forme dans cette "colonne d'ascendance" autour de petites particules solides appelées noyaux glaçogènes. Ces impuretés proviennent d'éléments soit naturels (poussière, suie volcanique…), soit artificiels (rejets des réacteurs d'avion…).
Les grêlons se développent à l'intérieur du nuage par dépôts successifs de glace sur ces noyaux glaçogènes, avant de tomber au sol sous forme d'averses de grêle.
Il arrive souvent que les grêlons fusionnent entre eux pour donner des particules encore plus grosses : on parle d'accrétion.
 

Pourquoi ce sont les cumulonimbus les plus violents qui génèrent les plus gros grêlons ?

Si les ascendances sont faibles, la particule qui grossit va très rapidement descendre et être éjectée du nuage. Comme elle est de petite dimension, elle fond avant d'atteindre le sol ; il ne tombe alors que de la pluie.
Dans le cas contraire, plus les ascendances du cumulonimbus sont fortes, plus la particule reste longtemps en suspension dans le nuage, collectant l'eau surfondue (voir ci-dessous le paragraphe Pour en savoir plus). Ce sont donc les cumulonimbus (et par conséquent les orages) les plus violents qui génèrent les plus gros grêlons.
 

À quoi ressemble un grêlon ?

Lorsque des particules de glace ne dépassant pas 5 mm de diamètre, plutôt opaques, tombent d'un cumulonimbus et rebondissent au sol sans se briser, on parle de grésil.
Les grêlons, eux, font, on l'a dit,  plus de 5 mm de diamètre. Ils sont de forme plus irrégulière, quoiqu'assez souvent circulaire. Lorsque plusieurs grêlons fusionnent, on obtient des formes parfois assez originales.
Un grêlon est généralement composé d'une alternance de couches de glace concentriques opaques ou transparentes, selon les différents types de croissance qu'il a subis (voir ci-après le paragraphe Pour en savoir plus).

Grêlons à La Celle (18), le 25 mai 2009.
 

Pour en savoir plus : du noyau glaçogène au grêlon

Les noyaux glaçogènes présents dans les nuages permettent la formation de la glace par 2 mécanismes :
- condensation solide, c'est-à-dire passage de l'état gazeux à l'état solide de la vapeur d'eau présente dans le nuage ;
- congélation de l'eau surfondue* présente dans le nuage.

Le noyau glaçogène va alors grossir pour former un grêlon en plusieurs étapes :
-    le noyau glaçogène, souvent très haut dans le nuage (donc à température très négative) va grossir progressivement par dépôt de la vapeur d'eau (condensation solide) : on parle alors de croissance « sèche » ;
-    en grossissant, la particule ainsi formée va descendre un peu plus vite dans le nuage que les gouttelettes d'eau surfondue. Elle va donc les collecter et les faire geler instantanément. Elle devient alors opaque, de forme circulaire avec un diamètre de quelques millimètres ;
-    en grossissant encore, la particule descend de plus en plus vite au regard des gouttelettes d'eau surfondue qu'elle collecte encore plus rapidement. Elle se réchauffe progressivement** et l'eau gèle plus lentement à sa surface. La particule prend alors une apparence transparente et sa densité augmente. On parle de croissance « humide ».

Au cours de son évolution, un grêlon va alterner des phases de croissance sèche et de croissance humide en fonction de sa vitesse de chute et des caractéristiques de son environnement (température et concentration en eau surfondue).
Enfin, lorsque la particule est suffisamment grosse au regard des courants ascendants du nuage, elle finit par tomber au sol : c'est l'averse de grêle.

* Dans les courants ascendants du cumulonimbus, même si la température est négative, l'eau peut rester en phase liquide jusqu'à –40°C, en l'absence d'impuretés dans l'air. Cette eau à température négative est dite « surfondue ».
** La congélation de l'eau (même surfondue) étant associée à un dégagement de chaleur, la température de la particule augmente pour être voisine de 0°C.