LES NUAGES
Qu'est-ce qu'un nuage ?
Dossier mis en ligne le 07/08/02
Source : L'observation en surface - Tome 1 : les nuages, de Alain Viguier, Météo-France

 

QU'EST-CE QU'UN NUAGE ?
 

 

DEFINITIONS
 
Nuage
Hydrométéore consistant en 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. Cet ensemble peut comporter également des particules d'eau liquide ou de glace de plus grandes dimensions, des particules liquides non aqueuses, des particules solides provenant de vapeurs industrielles, de poussières, de fumées.
Hydrométéore
Ensemble de particules d'eau liquide ou solide en chute ou en suspension dans l'atmosphère, soulevées ou déposées par le vent.
Hauteur
Distance verticale entre le niveau du lieu d'observation qui peut se trouver sur une montagne et le niveau considéré.
Altitude
Distance verticale qui sépare le niveau considéré du niveau moyen de la mer.
Extension verticale
Distance verticale entre le niveau de la base d'un nuage et celui de son sommet.
 
C'est toujours la hauteur de la base du nuage qui est donnée par un observateur météo, ainsi que, éventuellement, son extension verticale.
 
Voici quelques techniques pour évaluer la dimension angulaire approximative de certaines parties ou éléments d'un nuage :
 
- 1° correspond environ à la largeur du petit doigt bras tendu,
- 5° correspond environ à la largeur de 3 doigts bras tendu,
- 22° correspond à l'angle sous tendu par la longueur de la main dressée perpendiculairement bras tendu.
 
 
REPARTITION ET ASPECT VISUEL
 
Les nuages sont situés entre le niveau de la mer et la tropopause ; par convention, la troposphère a été verticalement en 3 étages : l'étage supérieur, moyen, bas ou inférieur avec une limite non rigoureuse dépendant de la latitude.
 
(Schéma Météo-France)
 
Etage supérieur
5 à 13 km en général
Nuages de glace
Préfixe Cirro
-55 < T°C < -25
Etage moyen
2 à 7 km en général
Nuages de glace + eau
Aspect visuel et précipitations
-30 < T°C < +2
Etage inférieur
0 à 2 km en général
Nuages d'eau
Aspect visuel et précipitations
0 < T°C
 
L'aspect visuel dépend essentiellement de :
 
- la nature, les dimensions, le nombre, la répartition de ses particules constitutives,
- de l'intensité,
- de la couleur de la lumière reçue (luminance, c'est-à-dire quantité de lumière réfléchie, diffusée et transmise par les particules constitutives de ce nuage),
- des positions relatives de l'observateur et de la source de lumière (astre éclairant) par rapport au nuage. Si le soleil est haut, le nuage sera blanc, les ombres grises. Si le soleil est bas, le nuage sera teinté de jaune, orange, rouge puis gris le soir et inversement le matin.
 
En résumé :
 
Cirrus
Ci
Etage supérieur
Glace + boucles cheveux, touffes de crin
-
Cirrocumulus
Cc
Etage supérieur
Glace + éléments isolés, séparés
-
Cirrostratus
Cs
Etage supérieur
Glace + voile
-
Altocumulus
Ac
Etage moyen
Glace + eau + éléments isolés
-
Altostratus
As
Etage moyen
Eau + glace + voile
Se présente habituellement à l'étage moyen mais pénètre souvent dans l'étage supérieur
Nimbostratus
Ns
Etage moyen
Eau + glace + voile + pluie
Presque invariablement observé dans l'étage moyen mais déborde généralement dans les étages inférieur et supérieur
Stratocumulus
Sc
Etage inférieur
Eau + couche ou éléments séparés
-
Stratus
St
Etage inférieur
Eau + couche ou nappe ou éléments séparés
-
Cumulus
Cu
Etage inférieur
Eau, ou eau + glace dans sommet
Base habituellement dans l'étage inférieur mais ils présentent souvent une telle extension verticale que leurs sommets peuvent pénétrer dans les étages moyen et supérieur. Bases pouvant se situer à l'étage moyen.
Cumulonimbus
Cb
Etage inférieur
 
Remarques :
Lorsque la hauteur de la base d'un nuage est connue, la notion d'étage peut être d'une certaine utilité à l'observateur pour l'identification de ce nuage ; le choix du genre doit alors être effectué parmi les genres qui sont normalement situés à l'étage correspondant à sa hauteur.
 
 
CONSTITUTION PHYSIQUE DES NUAGES
 
Le nuage est un milieu hétérogène dans lequel on trouve :
 
- de l'air sec et de la vapeur d'eau saturante,
- de l'eau liquide à température positive ou négative surfondue,
- des cristaux de glace associés à l'eau ou seuls,
- des particules solides : sable, suie, poussières, sel marin, etc. ,
- des particules liquides non aqueuses acides.
 
Cet ensemble est maintenu en suspension dans l'air par les forces d'agitation permanente au sein même des particules synoptiques ou aérologiques.
 
 
1 - LES GOUTTELETTES D'EAU
 
Les gouttelettes d'eau sont formées en atmosphère saturée par condensation de la vapeur d'eau (toujours présente dans l'atmosphère) en présence de particules solides en suspension appelées noyaux de condensation.
 
Les noyaux de condensation jouent le rôle de catalyseur de condensation et sont de plusieurs origines :
 
- minérale : suie volcanique, cristaux de sable,
- marine : cristaux de sel marin NaCl que le vent arrache aux embruns,
- humaine : combustions industrielles, pollution.
Ils sont de 2 sortes :
 
- les gros noyaux : (diamètre de plusieurs microns, jusqu'à 40 pour les noyaux géants) actifs dès le début de la saturation, très nombreux dans les basses couches où la sursaturation est rare (100 à 1000/cm³),
- les petits noyaux : (diamètre inférieur à 0,2 micron) ou noyaux d'AITKEN (physicien scandinave) actifs uniquement lorsque l'atmosphère se trouve en sursaturation, les traînées de condensation illustrent bien cet état préexistant. Leur nombre varie entre 1000 et 10000/cm³ avec une humidité pouvant atteindre les 150%.
 
Diamètre des gouttelettes
2 à 200 microns.
Vitesse de chute
Quelques mm/s à 1 cm/s sans agitation.
Distance séparant 2 gouttelettes
1,4 mm, 70 fois leur diamètre en moyenne, un ballon de foot tous les 20 à 30 m.
Nombre
300 à 600/m³ environ.
Masse
Très faible, proportionnelle au cube du diamètre, ce qui lui permet de rester en suspension.
 
Teneur en eau des nuages :
 
- nuage stable : gouttelettes nombreuses mais petit diamètre, eau condensée de l'ordre de 0,5 g/kg de nuage ;
- nuage instable : gouttelettes moins nombreuses mais diamètre important de 40 microns en moyenne, eau condensée de l'ordre de 5 g/kg de nuage.
 
 
2 - LES CRISTAUX DE GLACE
 
Formés par cristallisation d'une gouttelette d'eau autour d'une particule solide appelée noyau glaçogène pour T<0°C.
Ces noyaux sont issus de cendres volcaniques, suie ou sable et ont une structure cristalline analogue à la glace.
 
Diamètre des cristaux
Légèrement supérieur aux gouttelettes.
Vitesse de chute
1 mm/s sans mouvement ascendant.
Distance séparant 2 cristaux
Voisine de celles des gouttelettes.
Nombre
(variable selon T°C)
-3°C : apparition de cristaux de glace.
-12°C : les cristaux augmentent en nombre (nucléation hétérogène), 1 cristal pour 10 m³ de nuage.
-32°C : augmentation bien marquée, 10 cristaux pour 10 m³ de nuage.
-41°C : augmentation systématique et brutale.
 
La surfusion est la présence d'eau à l'état liquide dans un milieu où elle devrait être à l'état solide. Ce phénomène est prédominant de 0 à -15°C, il n'existe plus au-delà de -41°C.
 
La solidification peut se faire de 2 façons :
 
- nucléation homogène : la glaciation ou solidification concerne une gouttelette d'eau pure sur un noyau insoluble ;
- nucléation hétérogène : la glaciation concerne une gouttelette d'eau saline sur un noyau soluble (Aitken).
 
 
PROCESSUS DE FORMATION DES NUAGES
 
Pour que se forme un nuage, il faut :
 
- de la vapeur d'eau, matière première du nuage,
- des noyaux de condensation.
 

La vapeur d'eau dans l'atmosphère est :

 
- en équilibre avec l'eau liquide ou surfondue, elle est dite SATURANTE,
- n'est pas en équilibre avec l'eau sous sa forme solide ou liquide, elle est dite SECHE (atmosphère non nuageuse).
 
AIR HUMIDE
Air sec + vapeur d'eau sèche
AIR SATURE
Air sec + vapeur d'eau saturante
 
La quantité de vapeur d'eau que contient un air saturé est fonction de sa température.
 
T°C
-20
-10
0
+10
+20
+30
Quantité de vapeur d'eau
en g/kg
0,8
1,8
3,8
7,8
14,8
27,4
 
A ces quantités de vapeur d'eau correspondent 100 % d'humidité aux températures considérées.
 
Exemples :
 
Soit un air à 30°C qui contient 14,8 g de vapeur d'eau :
 
- l'humidité (U) vaut 14,8*100/27,4 soit environ 54 %
- si la température décroît jusqu'à 20°C, les 14,8 g deviennent maxima et l'humidité U vaut alors 100 %, il y a saturation
- si la température continue de décroître pour atteindre 10°C, les 14,8 g disponibles se distribuent en 7,8 g pour saturer l'air à 10°C, et en 7 g se condensant et formant un nuage
Si à 0°C, l'humidité U vaut 95 %, l'air contient alors 3,8*95/100 soit 3,6 g de vapeur d'eau.
 
 
La cause principale de la formation d'un nuage est le refroidissement :
 
 
 
1 - REFROIDISSEMENT ISOBARE
 
Il s'agit d'une transformation au cours de laquelle la pression dans les particules ne change pas. Le paramètre essentiel est le point de rosée td (température à laquelle l'eau se condense). Le refroidissement est un phénomène de basses couches, on distingue les refroidissements :
 
Par rayonnement
 
En l'absence de perturbation, les fluctuations de la température sont plus rapides et plus importantes que celles de la pression qui sont négligées, si bien que l'on assimile à des transformations isobares le réchauffement matinal et le refroidissement nocturne.
Le sol se refroidit par rayonnement (nuit) et l'air cède sa chaleur au sol par conduction (contact). Vu le processus classique (voir schéma ci-dessus), il y a formation de rosée ou de gelée blanche (gaz --> solide) ou givre (gaz --> liquide --> solide) lorsque la températures est négative. Il peut y avoir aussi formation de brume ou de brouillard de rayonnement et même St et Sc stables sous l'inversion de rayonnement.
 
Par advection
 
Air chaud circulant sur une surface froide. On dit aussi advection d'air chaud sur un sol froid. Il y a alors refroidissement par contact et inversion de température d'où formation de brouillard d'advection (le refroidissement se propage par turbulence) ou de St et Sc ayant une épaisseur plus importante (500 m).
 
(Schéma Météo-France)
 
 
2 - REFROIDISSEMENT PAR DETENTE ADIABATIQUE
 
Il s'agit d'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). Le paramètre essentiel est le point de condensation C.
Il s'agit essentiellement de détentes ou de compressions subies par les particules atmosphériques au cours de leurs mouvements verticaux. La compression provoque un réchauffement, la détente un refroidissement.
Ce mécanisme de détente adiabatique est à l'origine de la quasi formation des nuages.
 
Ce refroidissement adiabatique a son origine :
 
Par ascendance d'une masse d'air chaud sur une masse d'air froid (soulèvement frontal).
 
(Schéma Météo-France)
 
Par ascendance forcée sur un relief montagneux (on dit aussi ascendance orographique qui provoque en général des nuages isolés).
 
(Schéma Météo-France)
 
Par ascendance liée à la convection (l'échauffement du sol provoque l'échauffement de l'air qui s'élève).
 
(Schéma Météo-France)
 
Par ascendance liée à la turbulence (agitation des particules), il y a alors formation de Sc dits "turbulents".
 
 
3 - APPORT DE VAPEUR D'EAU
 
PROVENANCE
CONSEQUENCES
Surfaces aquatiques
Formation de brouillard d'évaporation ou côtier
Sol saturé d'eau
Formation de Cu et St fra
Précipitations
 
 
4 - MELANGE
 
Le mélange de 2 masses d'air proches de la saturation engendre la formation de brouillard dit de mélange.

 

QU'EST-CE QU'UN NUAGE ?
 
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