LES NUAGES |
QU'EST-CE QU'UN NUAGE ?
Un nuage est un ensemble de minuscules particules d'eau liquide ou solide ou les deux à la fois en suspension dans l'atmosphère et ne touchant généralement pas le sol. Ainsi, contrairement à ce que l'on pourrait penser, un nuage n'est pas formé uniquement de vapeur d'eau (ce n'est pas elle qui nous le rend visible). Toutefois, le nuage peut comporter également des particules d'eau liquide ou de glace de plus grandes dimensions, des particules liquides non aqueuses (acides), des particules solides provenant de vapeurs industrielles, de poussières, de fumées.
(Des nuages...sympathiques !)
DE QUOI EST CONSTITUE UN NUAGE ?
Les gouttelettes d'eau :
- minérale : suie volcanique, cristaux de sable
- marine : cristaux de sel marin arrachés des embruns par le vent
- humaine : combustions industrielles, pollution
nuage stable : gouttelettes nombreuses mais de petit diamètre et eau condensée de l'ordre de 0,5g/kg de nuage.
nuage instable : gouttelettes moins nombreuses mais de diamètre important (40 microns en moyenne) et eau condensée de l'ordre de 5g/kg de nuage.
Les cristaux de glace :
-3°C : apparition de cristaux
-12°C : les cristaux augmentent en nombre (un cristal pour 10 m³ de nuage)
-32°C : augmentation marquée de leur nombre (10 pour 10 m³ de nuage)
-41°C : augmentation systématique et brutale (il n'existe plus d'eau en surfusion)
(Un beau Cumulunimbus d'eau et de glace avec enclume)
COMMENT SE FORME UN NUAGE ?
Pour qu'un nuage se forme, il faut avant tout de la vapeur d'eau (matière première du nuage) et des noyaux de condensation. Comme le montre le tableau suivant, la quantité de maximale de vapeur d'eau contenue par kg d'air varie en fonction de la température.
Température (en °C) |
-20 |
-10 |
0 |
+10 |
+20 |
+30 |
Quantité de vapeur deau pour obtenir un air saturé, soit 100 % dhumidité (en g de vapeur deau/kg dair sec) |
0,8 |
1,8 |
3,8 |
7,8 |
14,8 |
27,4 |
Cette quantité de vapeur d'eau nécessaire pour obtenir un air saturé diminuant avec la température, on comprend alors que la cause principale de formation d'un nuage est un refroidissement.
On pourra toutefois noter qu'à haute altitude (plus de 6000 m), le phénomène de sursaturation est souvent présent. La sursaturation est la persistance d'état de vapeur dans les conditions normales d'état solide ou liquide. Ainsi, en altitude, on peut trouver une humidité de 150%. Cet état instable est mis en évidence par les traînées d'avions ou COTRA qui persistent dans le ciel après le passage de l'avion. En effet, les réacteurs apportent des noyaux de condensation et le choc des particules produit la turbulence nécessaire pour quitter cet état.
(Photo: Cirrus Spissatus avec Cotra)
La présence de vapeur d'eau n'est pas suffisante. Il faut en plus des conditions particulières pour former ces nuages. Les différents mécanismes de "création de nuages" sont :
Formation par refroidissement :
Le processus est très simple : la température baisse donc l'humidité augmente. Arrivé au stade de saturation (100% d'humidité), la condensation commence et se poursuit avec la baisse de température pour donner naissance à un nuage.
Il existe deux types de refroidissements :
- rayonnement : le refroidissement nocturne entraîne une hausse de l'humidité et la formation de rosée, de gelée blanche, de brume ou de brouillard de rayonnement et même de Stratus ou Stratocumulus...
- advection : il s'agit d'air chaud qui circule sur un sol froid et donc se refroidit par contact. Cela se traduit par du brouillard (dit d'advection), la formation de Stratus ou Stratocumulus. Ces phénomènes sont très fréquents dans les régions côtières.
C'est une transformation au cours de laquelle les échanges de chaleur sont nuls (c'est souvent une bonne hypothèse à cause de la mauvaise conductibilité de l'air). Au cours de son ascension, le particule d'air se détend (diminution de pression en fonction de l'altitude) et donc se refroidit. Ce mécanisme est à l'origine de la formation de presque tous les nuages. Ce phénomène a son origine par :
- ascendance d'une masse d'air chaud sur une masse d'air froid (soulèvement frontal
caractéristique du front
chaud)
- ascendance forcée sur un relief montagneux ou ascendance orographique (les nuages sont plus isolés)
- ascendance liée à la convection
- ascendance liée à la turbulence qui forme des Stratocumulus dits turbulents
(Cumulus Mediocris formés par convection)
Formation par apport de vapeur d'eau :
L'apport peut provenir de surfaces aquatiques ou de sols saturés d'eau, ce qui entraîne la formation de brouillards d'évaporation ou côtiers. Enfin, lorsqu'il y a précipitation, l'air est saturé et provoque la formation de Stratus fractus ou de Cumulus fractus que l'on appelle pannus.
(Photo: Cumulus Fractus)
Formation par mélange :
Le mélange de deux masses d'air proches de la saturation peut donner naissance à une nouvelle masse d'air saturée (pour les scientifiques ! : le mélange des deux masses se trouve dans la plage de saturation en raison de la concavité de la courbe de saturation par rapport à la température). Il y a alors formation de brouillard de mélange.
OU SE SITUENT LES NUAGES ?
La base du nuage détermine l'étage auquel il appartient. Ces étages varient en fonction de la latitude.
Etages |
Genres | Régions polaires |
Régions tempérées |
Régions tropicales |
Supérieur | Cirrus Cirrocumulus Cirrostratus |
de 3 à 8 km | de 5 à 13 km | de 6 à 18 km |
Moyen | Altocumulus Altostratus Nimbostratus |
de 2 à 4 km | de 2 à 7 km | de 2 à 8 km |
Inférieur |
Stratocumulus Stratus Cumulus Cumulonimbus |
jusquà 2 km |
jusquà 2 km |
jusquà 2 km |
Ci:Cirrus | Cc: Cirrocumulus | Cs: Cirrostratus | Ac: Altocumulus | As:Altostratus | Ns: Nimbostratus | Sc: Stratocumulus | St: Stratus |
Cu: Cumulus | Cb: Cumulonimbus | Hum: humilis | con: congestus | med: mediocris | cal: calvus | Cap: capillatus |
Remarque:
COMMENT SE FORMENT LES PRECIPITATIONS ?
On a vu que les gouttelettes ou les cristaux composant les nuages sont de faible dimension, et se maintiennent en équilibre. Le phénomène de précipitation est donc dû essentiellement à l'accroissement de la taille des éléments dont la masse devient suffisante pour vaincre les forces d'agitation. Ce grossissement peut s'expliquer par les deux processus suivant :
L'effet Bergeron :
Dans la partie du nuage où la température est négative mais supérieure à -41°C, coexistent cristaux de glace et gouttelettes d'eau surfondues (eau liquide avec une T°<0°C). Physiquement, pour une masse d'air donnée, la saturation autour d'un cristal de glace intervient à un taux d'humidité plus bas qu'autour d'une gouttelette d'eau surfondue. Il y a donc transfert de la vapeur d'eau des gouttelettes vers les cristaux, c'est à dire qu'il y a condensation autour du cristal avec évaporation des gouttelettes. On dit aussi qu'à la même température, le cristal présente une affinité à la vapeur d'eau plus grande que l'eau surfondue. Lorsque la masse du cristal est suffisante après transfert, il précipite ; s'il traverse une région à température positive suffisamment épaisse (souvent à partir de 300 m dans les nuages stables) et si la durée de chute le permet, il fond et c'est la pluie...
Le même processus de grossissement a lieu entre deux gouttelettes à des températures différentes (la plus froide grossit au détriment de la plus chaude) et entre deux gouttelettes de taille différente (la plus grosse grossit au détriment de la plus petite).
L'effet de coalescence ou de captation :
Il y a grossissement par choc et fusionnement avec d'autres particules. Du fait de la dispersion des vitesses, le cristal en se déplaçant, soit en chute libre, soit par turbulence, entre en collision avec les gouttelettes surfondues ; la congélation de celles-ci augmente le volume du cristal. Il en est de même pour les gouttelettes de diamètre supérieur à 30 microns qui entrent en collision avec des gouttelettes de diamètre inférieur. Ce processus provoque un accroissement rapide de leur dimension et donc de leur masse augmentant leur vitesse de chute.
Enfin, on pourra noter que lorsque deux cristaux entrent en collision, de fins cristaux se retrouvent éjectés et ainsi servent de noyaux de condensation qui augmenteront la densité des cristaux. On comprend pourquoi, avec l'effet Bergeron en plus, 97% des nuages donnant lieu à des précipitations présentent des températures négatives à leur sommet.
L'importance de l'effet de coalescence ou de captation:
=> Il faut 4 heures d'effet Bergeron pour former une goutte de pluie de 2 mm de diamètre (et même 16 heures pour une goutte de 4 mm).
=> Dans des ciels de traine active ou lors de la formation d'orages (effet de coalescence ou de captation maximal), des gouttes de pluie de cette taille se forment en seulement 2 heures. Ainsi intervient l'effet de coalescence ou de captation qui augmente largement le grossissement des gouttes
(Cumulonimbus Praecipitatio : précipitations formées par effet de coalescence)
Connaître l'effet ayant formé une goutte de pluie
diamètre goutte < 100 microns | diamètre goutte de 100 à 400 microns | diamètre goutte > 400 microns |
effet Bergeron seul | effet Bergeron + effet de coalescence ou captation |
effet de coalescence ou captation |
Phénomènes observés liés au diamètre des goutelettes d'eau
de 2 à 50 microns | de 20 à 200 microns | de 100 à 500 microns | de 500 microns à 6 mm |
Suspensions effective (pas de précipitation) |
Apparition de mamma | Virga en altitude ou bruine près du sol | pluie |
Remarque: au delà de 6 mm, la goutte se "fractionne" pendant sa chute.
(de jolis mamma !) |