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Qu'est ce qu'un nuage ?

De quoi est constitué un nuage ?   Comment se forme un nuage ?  Ou se situent les nuages ?   Comment se forme les précipitations ?

Introduction

Un nuage est constitué de minuscules particules d'eau liquide ou solide ou les deux à la fois qui sont en suspension dans l'atmosphère.

Ainsi, contrairement à ce que l'on pourrait penser, un nuage n'est pas formé uniquement de vapeur d'eau (ce n'est pas la vapeur qui le rend visible).

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.

De quoi est constitué un nuage ?

Les gouttelettes d'eau :

Elles sont formées en atmosphère saturée (100 % d'humidité) par condensation de la vapeur d'eau (toujours présente dans l'atmosphère) en présence de particules solides en suspension appelées noyaux de condensation. Ces noyaux de condensation jouent le rôle de catalyseur et sont d'origines variées :

• minérale : suie volcanique, cristaux de sable
• marine : cristaux de sel marin arrachés des embruns par le vent
• humaine : combustions industrielles, pollution
• Diamètre des gouttelettes : de 2 à 200 microns (nombre de 300 à 600/m³ environ)

Vitesse de chute

De quelques mm/s à 1 cm/s sans agitation

Distance séparant deux gouttelettes

1,4 mm soit 70 fois leur diamètre en moyenne (comme un ballon de foot tous les 20 à 30 mètres)

Teneur en eau des nuages

• 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 :

Ils sont 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 à celui des gouttelettes

Vitesse de chute

Le mm/s sans mouvement ascendant

Distance séparant deux cristaux

Voisine de celle des gouttelettes

Nombre

Le nombre de cristaux est variable selon la température

• 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)

Comment se forme un nuage ?

Pour qu'un nuage se forme, il faut avant tout de la vapeur d'eau (c'est la matière première du nuage) et des noyaux de condensation.

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 d'eau en g de vapeur d'eau/kg d'air sec pour obtenir un air saturé (100 % d'humidité)	0,8	1,8	3,8	7,8	14,8	27,4

Comme la quantité de vapeur d'eau nécessaire pour obtenir un air saturé diminue avec la température, on comprend alors que la cause principale de la formation d'un nuage est un refroidissement.

On notera toutefois 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 les turbulences nécessaires pour changer cet état.

Mais 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 simple : la température baisse donc l'humidité augmente. Arrivé au stade de saturation à 100% d'humidité, la condensation commence et se continue avec la baisse de la température pour donner naissance à un nuage.

Il existe deux types de refroidissements :

Refroidissement isobare (à pression constante) obtenu par :

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.

Refroidissement par détente adiabatique :

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

Formation par apport de vapeur d'eau :

Cet apport peut venir 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.

Formation par mélange

Le mélange de deux masses d'air proches de la saturation peut conduire à une nouvelle masse d'air saturée (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.

Sc: Strato-cumulus	Ci: Cirrus	Cc: Cirro-cumulus	Ac: Alto-cumulus	Ns: Nimbo-stratus	Cu: Cumulus
St: Stratus	.	Cs: Cirro-stratus	As: Alto-stratus	.	Cb: Cumulonimbus

Hum: humilis

con: congestus

med: mediocris

cal: calvus

Cap: capillatus

Nota :

Les cumulus et cumulonimbus ont leur sommet situé dans un autre étage (généralement moyen, voire supérieur).

De même, en fonction de leur hauteur, les nimbostratus peuvent avoir leur base située dans l'étage inférieur et leur sommet dans l'étage supérieur.

Comment se forment les précipitations ?

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 assez importante 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.

Si il traverse une zone à température positive assez  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 traîne 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

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 gouttelettes d'eau

2 à 50 microns	20 à 200 microns	100 à 500 microns	500 microns à 6 mm
Suspensions effective (pas de précipitation)	Apparition de mamma	Virga en altitude ou bruine près du sol	Pluie

Remarque: la goutte se "fragmente" pendant sa chute si elle fait plus de 6 mm.

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