Dossier mis en ligne le 07/08/02 |
Source : L'observation en
surface - Tome 1 : les nuages, de Alain Viguier, Météo-France |
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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.
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Hydrométéore |
Ensemble de particules d'eau liquide ou solide en
chute ou en suspension dans l'atmosphère, soulevées
ou déposées par le vent.
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Hauteur |
Distance verticale entre le niveau du lieu d'observation
qui peut se trouver sur une montagne et le niveau considéré.
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Altitude |
Distance verticale qui sépare le niveau considéré
du niveau moyen de la mer.
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Extension verticale |
Distance verticale entre le niveau de la base d'un
nuage et celui de son sommet.
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C'est toujours la hauteur de la base du
nuage qui est donnée par un observateur météo,
ainsi que, éventuellement, son extension verticale. |
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Voici quelques techniques pour évaluer
la dimension angulaire approximative de certaines parties ou
éléments d'un nuage : |
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- 1° correspond environ à la
largeur du petit doigt bras tendu,
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- 5° correspond environ à la
largeur de 3 doigts bras tendu,
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- 22° correspond à l'angle sous
tendu par la longueur de la main dressée perpendiculairement
bras tendu.
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REPARTITION
ET ASPECT VISUEL |
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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. |
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(Schéma Météo-France) |
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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 |
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L'aspect visuel dépend essentiellement
de : |
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- la nature, les dimensions, le nombre,
la répartition de ses particules constitutives,
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- de l'intensité,
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- 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),
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- 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.
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En résumé : |
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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 |
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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. |
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CONSTITUTION
PHYSIQUE DES NUAGES |
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Le nuage est un milieu hétérogène
dans lequel on trouve : |
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- de l'air sec et de la vapeur d'eau saturante,
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- de l'eau liquide à température
positive ou négative surfondue,
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- 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.
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Cet ensemble est maintenu en suspension
dans l'air par les forces d'agitation permanente au sein même
des particules synoptiques ou aérologiques. |
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1 - LES GOUTTELETTES
D'EAU |
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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. |
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Les noyaux de condensation
jouent le rôle de catalyseur de condensation et sont de
plusieurs origines : |
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- minérale : suie volcanique, cristaux
de sable,
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- marine : cristaux de sel marin NaCl que
le vent arrache aux embruns,
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- humaine : combustions industrielles,
pollution.
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Ils sont de 2 sortes : |
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- 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),
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- 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%.
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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. |
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Teneur en eau des nuages : |
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- nuage stable : gouttelettes nombreuses
mais petit diamètre, eau condensée de l'ordre
de 0,5 g/kg de nuage ;
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- nuage instable : gouttelettes moins nombreuses
mais diamètre important de 40 microns en moyenne, eau
condensée de l'ordre de 5 g/kg de nuage.
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2 - LES CRISTAUX
DE GLACE |
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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. |
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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. |
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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. |
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La solidification peut se faire de 2 façons
: |
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- nucléation homogène
: la glaciation ou solidification concerne une gouttelette
d'eau pure sur un noyau insoluble ;
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- nucléation hétérogène
: la glaciation concerne une gouttelette d'eau saline sur
un noyau soluble (Aitken).
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PROCESSUS
DE FORMATION DES NUAGES |
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Pour que se forme un nuage, il faut : |
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- de la vapeur d'eau, matière première
du nuage,
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- des noyaux de condensation.
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La vapeur d'eau dans l'atmosphère est :
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- en équilibre avec l'eau liquide
ou surfondue, elle est dite SATURANTE,
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- n'est pas en équilibre avec l'eau
sous sa forme solide ou liquide, elle est dite SECHE (atmosphère
non nuageuse).
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AIR HUMIDE |
Air sec + vapeur d'eau sèche |
AIR SATURE |
Air sec + vapeur d'eau saturante |
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La quantité de vapeur d'eau que
contient un air saturé est fonction de sa température. |
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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 |
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A ces quantités de vapeur d'eau
correspondent 100 % d'humidité aux températures
considérées. |
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Exemples : |
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Soit un air à 30°C qui contient
14,8 g de vapeur d'eau : |
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- 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. |
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La cause principale de la formation d'un
nuage est le refroidissement : |
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1 - REFROIDISSEMENT
ISOBARE |
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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 : |
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Par rayonnement |
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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. |
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Par advection |
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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). |
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(Schéma Météo-France) |
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2 - REFROIDISSEMENT
PAR DETENTE ADIABATIQUE |
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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. |
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Ce refroidissement adiabatique a son origine
: |
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Par ascendance d'une masse d'air chaud sur une masse d'air froid
(soulèvement frontal). |
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(Schéma Météo-France) |
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Par ascendance forcée sur un relief montagneux (on dit
aussi ascendance orographique qui provoque en général
des nuages isolés). |
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(Schéma Météo-France) |
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Par ascendance liée à la convection (l'échauffement
du sol provoque l'échauffement de l'air qui s'élève). |
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(Schéma Météo-France) |
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Par ascendance liée à la turbulence (agitation
des particules), il y a alors formation de Sc dits "turbulents". |
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3 - APPORT DE
VAPEUR D'EAU |
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PROVENANCE |
CONSEQUENCES |
Surfaces aquatiques |
Formation de brouillard d'évaporation
ou côtier |
Sol saturé d'eau |
Formation de Cu et St fra |
Précipitations |
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4 - MELANGE |
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Le mélange de 2 masses d'air proches
de la saturation engendre la formation de brouillard dit de
mélange. |
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