I : La Formation d'un nuage

Un nuage est un ensemble de gouttelettes ou de cristaux de glace en suspension dans l’atmosphère, voire des deux à la fois.

A) Le processus de formation

1)Les changements d’état de l’eau

Les changements d’état de l’eau sont déterminés par la pression et la température. Ceux qui se produisent dans les nuages sont la liquéfaction ou condensation à l'état liquide (passage de l'état gazeux à l'état liquide), la solidification (passage d’état liquide à solide), ainsi que la condensation (passage de l'état gazeux à l'état solide). Par abus de langage, on parle généralement de condensation pour parler indifféremment de liquéfaction ou de condensation.

Diagramme des phases de l’eau

Les courbes rouges, qui séparent les domaines solides liquides et gazeux, correspondent aux conditions de température et de pression de coexistence stable des deux phases considérées. Les conditions de température et de pression du point triple correspondent à une coexistence stable entre les trois phases.

Tout d'abord, puisque la pression atmosphérique diminue avec l'altitude, l’air se dilate. Mais la dilatation d'un gaz s'accompagne d'un refroidissement de même que la compression s'accompagne d'un échauffement. On considère en général que, dans le cas de notre bulle ascendante, ce refroidissement est suffisamment rapide pour que les échanges de chaleur avec l'air environnant soient négligeables. Plus la bulle est volumineuse et plus la fraction de chaleur échangée avec le milieu ambiant devient petite par rapport à la quantité totale de chaleur transportée par la bulle.

En moyenne la température de la bulle ascendante diminue de 1°C chaque fois que la bulle s'élève de 100 mètres. Mais cette décroissance de température ne se poursuit pas indéfiniment, car il arrive un moment où la vapeur d’eau, toujours présente dans l'air atmosphérique, devient saturante. À partir de ce moment, toute élévation consécutive de la bulle se traduira par la condensation d'une partie de la vapeur d'eau sous forme de fines gouttelettes. Mais la condensation de la vapeur d'eau s'accompagne de la libération d'une certaine quantité de chaleur latente. Les changements de phase thermodynamiques s'accompagnent d'échanges importants de chaleur : il faut fournir 2 500 joules environ pour évaporer un gramme d'eau ; inversement, la condensation de ce même gramme d'eau dégage 2 500 joules. De même, le passage à l'état de glace exige de retirer 333,6 joules par gramme d'eau à 0°C ; 333,6 joules devant être fournis à un gramme de glace à 0°C pour la transformer en eau liquide. Cette libération de chaleur latente a pour effet de diminuer la décroissance de température de notre bulle ascendante à partir du moment où elle atteint son niveau de condensation.

Schéma des changements d’état de l’eau

2) La condensation de la vapeur d’eau

Les nuages se forment dans la couche la plus basse de l’atmosphère terrestre, la troposphère, en moyenne dans les douze premiers kilomètres.

Les nuages naissent de la condensation de la vapeur d’eau invisible dans l’atmosphère en eau liquide ou solide. Pour cela, il faut que l’air humide refroidisse. Cela arrive quand l’air s’élève vers les zones froides de l’atmosphère.

La pression diminue lorsque l’altitude augmente :

Cette diminution de la pression avec l’altitude est valable dans l’atmosphère proche. Elle entraîne la diminution de la densité de l’air.

Or la température diminue avec la pression car l’air se dilate, soit, en altitude, il y a de moins en moins d'air pour garder la chaleur. La température diminue donc avec l’altitude :

Une parcelle d’air ne peut contenir qu’une certaine quantité de vapeur d’eau qui dépend de sa température. Plus l'air est chaud, plus il peut contenir de vapeur d'eau. Or la température diminue avec l’altitude car la pression de l'air diminue. Donc quand la parcelle d’air monte par mouvements ascendants, elle peut contenir de moins en moins de vapeur d’eau qui se condense en eau liquide ou solide (si la température est négative). A chaque température correspond un « seuil de saturation » au-delà duquel il y a condensation et apparition de gouttelettes.

Pour évaluer la concentration en vapeur d’eau de l’air en fonction de la température, il existe une donnée : l’humidité relative.

Humidité relative = humidité absolu / humidité de saturation

Un air sec a une humidité relative de 0 ; alors que pour un air saturé en vapeur d’eau l’humidité relative atteint 1, soit 100%.

Lorsque l’humidité relative devient supérieure à 100, l’air est sursaturé en vapeur d’eau et le surplus a tendance à se condenser.

Pour une quantité de vapeur d'eau donnée, l'humidité relative est d'autant plus faible que la température est élevée car la pression maximale de vapeur d'eau est une fonction croissante de la température.

Par exemple dans l’air à 20°C, pour 10 g de vapeur d’eau par mètre cube, l’humidité relative est de 10/ 17,3, soit 0,58. Le pourcentage de l'humidité relative est de 58%. Si la température chute à 10°C, la saturation de vapeur d’eau se fait alors à 9,4 g ; l’excès, soit 0,58 g, se condense sous forme liquide.

Le point de rosée correspond à la température, et donc à l’altitude, pour laquelle une particule d’air devient saturée en vapeur d’eau et à partir de laquelle le surplus de vapeur d’eau se condense. L’altitude du point de rosée correspond donc à l’altitude où l’humidité est de 100%.

Pour résumer :

( Adresse du cartoon : http://www.lacartoonerie.com/cartoon/id469404662_dessin-anime-formation-dun-nuage )

C'est alors qu'intervient un phénomène découvert par Coulier au XIXe siècle : ce sont des impuretés en suspension dans l'atmosphère qui permettent à la vapeur d'eau de changer de phase dans des conditions normales. Ces impuretés jouent le rôle de catalyseurs permettent d'engendrer la phase condensée au moment où la saturation est réellement atteinte. Ces particules solides, invisibles à l’œil nu, en suspension, appelées noyaux de condensation ou encore aérosols, 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

Une première pellicule d’eau se condense sur ces grains et permet aux gouttelettes de se développer.

En présence d’aérosols, tout se passe comme si les molécules de vapeur d'eau en surnombre, incapables de disputer leur place aux autres molécules, se trouvaient dans l'obligation de se rassembler pour tenir le moins de place possible, en un mot de se condenser pour que la pression en vapeur d'eau ne puisse dépasser la valeur maximale autorisée par la température.

Lorsque l’humidité relative atteint 100 %, l’air est saturé en vapeur d’eau qui se condense sur des noyaux de condensation. Si il n’y a pas d’aérosols, surtout en haute altitude, l’air peut devenir sursaturé en vapeur d’eau, c’est-à-dire que l’air contient une quantité de vapeur d’eau supérieur à la valeur limite de saturation.

De même le passage au dessous du zéro ne suffit pas à solidifier l’eau : comme les gouttelettes, ils ont besoin de « germes » pour croître. Il s’agit de particules minérales généralement argileuses d’une structure cristalline assez proche de celle de la glace. Ces noyaux dits de congélation sont très peu présents dans l’atmosphère. De ce fait des gouttes peuvent subsister jusqu’à – 40 °C, à environ 8000 mètres d’altitude ; elles sont dites surfondues. Mais dès que ces noyaux de condensation existent, les cristaux de glace apparaissent et jouent à leur tour le rôle de germes. L’eau en surfusion gèle alors très vite. Dans les nuages dont la température est inférieure à -40 °C, la surfusion n’est jamais observée et l’eau passe directement de l’état gazeux à l’état solide sans noyaux de congélation : c’est la sublimation inverse. Ces changements d’état de l’eau dans les nuages sont très importants, car en libérant une chaleur latente énorme, ils contribuent à l’ascension du nuage. Des édifices nuageux de plusieurs kilomètres de hauteur peuvent ainsi se déployer en moins d’une demi-heure.

Si le nuage, ainsi formé à partir de son niveau de condensation, continue ce mouvement ascensionnel, sa température et la pression de vapeur saturante s'abaisseront encore et de nouvelles molécules d’eau à l’état gazeux se transféreront sur les gouttelettes déjà formées, accroissant leurs dimensions.

Ces nuages, composés au départ, au niveau du point de rosée, de gouttelettes liquides, vont parfois s'élever très haut dans l'atmosphère ; ils atteindront des altitudes où la température deviendra fortement négative et, progressivement, certains de leurs éléments se transformeront en glace : c'est la solidification. Cette apparition de la phase glace n'interviendra pratiquement jamais avant des températures de l'ordre de - 5 à - 8 °C ; ce sera l'intervention des noyaux de congélation, dont l'efficacité varie avec leur nature et leurs dimensions, qui conditionnera ce nouveau changement de phase.

Par exemple les nuages bas dont la température avoisine 0°C ne sont constitués que de fines gouttelettes, d’environ 1 a 10 micromètres de diamètre. En revanche ceux qui s’élèvent très hauts sont uniquement composés de cristaux de glace pouvant dépasser les 100 micromètres, à peu près le diamètre d’un cheveu.

C'est ainsi qu'aux très hautes altitudes les nuages sont constitués de cristaux de glace. Les cristaux des nuages de glace présentent toujours des dimensions très supérieures à celles des gouttelettes liquides du nuage originel. Cela tient à la faible teneur de l'atmosphère en noyaux glaçogènes efficaces. Ces transferts par diffusion de vapeur interviennent ainsi à partir de nombreuses gouttelettes au bénéfice de quelques rares germes de phase glace. Ces cristaux peuvent alors atteindre des dimensions de l'ordre du millimètre.

3)Stabilité et instabilité de l’air

Une parcelle d’air s’élève tant que sa température est supérieure à celle de l’air ambiant.

La bulle ascendante, dont la température décroît constamment à mesure qu'elle s'élève, deviendra, à partir d'un certain niveau, plus froide que l'air environnant. Plus froide, donc plus dense que l'air ambiant, elle aura tendance à redescendre.

On dit qu'une masse d'air est en équilibre stable lorsqu'une particule d'air déplacée verticalement à une petite distance de son niveau initial, sous l'effet d'une action perturbatrice très petite, tend à revenir à son niveau initial.

Si cette particule tend spontanément à s'éloigner de son niveau initial, la masse d'air est dite instable.

Si cette particule ne manifeste aucune tendance à quitter sa nouvelle position, la masse d'air est dite en équilibre indifférent.

B) Le cas particulier du brouillard

Le brouillard est une forme de nuage qui se forme au ras du sol.

Il en existe plusieurs types :

1) Le brouillard de rayonnement :

Si un vent léger est présent près du sol lors d'un refroidissement nocturne, l'agitation de l'air dans les basses couches favorise la propagation du refroidissement vers le haut par brassage. Si le refroidissement est suffisant, il y a liquéfaction de la vapeur d'eau sur les noyaux de condensation présents (poussières, aérosols…) d'où l'apparition de gouttelettes en suspension.

Si la visibilité est inférieure à 1 km, c'est-à-dire s'il y a plus de 0,5 g/kg d'eau condensée, il s’agira de brouillard, alors que si la visibilité est supérieure à 1 km, on parle de brume.

Brouillard de rayonnement dans des vallées gersoises

2) Le brouillard givrant 

Il s'agit du même mécanisme que pour le brouillard de rayonnement mais la température diminue vers des valeurs négatives et il y a condensation de la vapeur d'eau en gouttelettes d'eau surfondues (absence de noyaux glaçogènes actifs). L'eau surfondue étant en équilibre instable, elle se transforme en glace dès qu'elle est captée par les objets présents ayant une température négative (plantes, pare-brise…). Le givre se forme alors du côté d'où vient le vent.

Formation de givre sur une plante, vue après dissipation du brouillard :

3) Le brouillard d'advection :

Ce brouillard se produit quand une masse d'air chaud et humide arrive au-dessus d'une surface relativement froide. L'air se refroidit au contact de cette surface et le refroidissement se propage par turbulence en provoquant la condensation de la vapeur d'eau. Ce phénomène s'observe souvent dans les Landes en automne et au début de l'hiver lorsque l'air maritime relativement chaud arrive au contact de la surface continentale relativement froide.

Brouillard d'advection dans les Landes

4) Formation de brouillard par apport de vapeur d'eau :

La saturation peut également intervenir par augmentation de la quantité de vapeur d'eau présente via l'évaporation d'une surface liquide (lac, par exemple). Le phénomène est appelé brouillard d'évaporation. Il intervient lorsqu'une masse d'air froid arrive sur une étendue d'eau relativement chaude. L'évaporation est localisée dans la couche de surface en contact avec l'étendue d'eau, dont la température est très proche de celle de l'eau.

Si l'air de la couche de surface, riche en vapeur d'eau, est mélangé à l'air froid du dessus par agitation de l'air, ce dernier reçoit de la vapeur d'eau. L'air froid est alors saturé en vapeur d'eau.

L'air étant saturé, il ne peut absorber un supplément de vapeur d'eau provenant de la couche de surface. Il y a alors condensation du surplus de vapeur d'eau d'où l'apparition d'une brume voire d'un brouillard.

Formation d'un brouillard par condensation de vapeur d'eau provenant d'une surface liquide relativement chaude

C) Les conditions de formation

Les nuages sont dus au refroidissement d’une parcelle d’air suite à son ascension. Ce soulèvement d’air peut intervenir dans plusieurs situations.

1)La turbulence météorologique

Comme on l'a indiqué, la turbulence météorologique est due à l'existence de petits tourbillons de dimensions diverses. La vitesse verticale de l'air dans de tels tourbillons peut atteindre l'ordre de grandeur du mètre par seconde.

La turbulence peut se traduire par des mouvements verticaux ascendants et descendants dans l’atmosphère.

Par une action de mélange, elle peut amener des parcelles d’air de température et d’humidité différentes à se rencontrer. Il en résulte parfois un phénomène de condensation à l'état liquide ou solide.

2)Soulèvements orographiques

Lorsqu’une masse d'air vient buter contre une chaîne de montagne, certains filets contournent l'obstacle latéralement, mais la majeure partie de l'air doit s'élever pour franchir le relief.

Le relief oblige la masse d'air à s'élever sur sa face au vent. La masse d'air s'élevant, sa température s’abaisse et peut atteindre le seuil de saturation. Un nuage se forme alors sur le versant au vent et se dissipe sur l’autre versant.

Ces ascendances de relief sont de l'ordre de quelques décimètres à quelques mètres par seconde.

Ce phénomène est appelé effet de foehn.

Ascendance forcée sur un relief montagneux ou ascendance orographique

3)Le soulèvement frontal

Lorsqu’une masse d'air chaude rencontre un masse d'air froide plus dense, l'air chaud est obligé de monter. La frontière entre les deux masses d'air est appelée front. L'air chaud, plus léger, va donc s’élever. Des nuages se forment, grâce au processus vu plus haut, le long des fronts car l’air chaud se condense en contact avec la masse d’air plus froide.

Ces ascendances frontales ne dépassent pas l'ordre de grandeur de quelques centimètres ou du décimètre par seconde.

Ascendance d'une masse d'air chaud sur une masse d'air froid

( Adresse du cartoon : http://www.lacartoonerie.com/cartoon/id1173715342_dessin-anime-rencontre-deux-masses-air )

4)La convection

C'est le phénomène de convection qui donne naissance aux nuages du genre cumulus ou cumulo-nimbus qui portent de ce fait le nom de nuages convectifs.

Le processus de convection prend naissance lorsque la surface du globe devient nettement plus chaude que l'air qui est à son contact. Cette particularité se produit lorsque le réchauffement du sol, par absorption de l'énergie du rayonnement solaire, se communique à l'air qui, dilaté donc plus léger, se met à monter et se refroidit. La convection se traduit par l'ascendance de « bulles » d'air. Celles-ci sont remplacées par de l'air plus frais venant latéralement combler l'espace libéré. Tant que l’air ascendant est plus chaud que l’air ambiant, il continue de monter jusqu’à ce que l’équilibre soit atteint. Ce type d'ascendances porte le nom d'ascendances thermiques.

Les vitesses verticales correspondantes sont fréquemment de l'ordre de plusieurs mètres par seconde et peuvent atteindre quelques décamètres par seconde (dans les cumulo-nimbus).

Ascendance liée à la convection

(Adresse du cartoon : http://www.lacartoonerie.com/cartoon/id287451024_dessin-anime-formation-nuage-par )

Afin de mettre en évidence le phénomène de convection, nous avons réalisé une expérience :

Protocole expérimental :
On relie deux bouteilles d’eau, préalablement coupées, à l’aide de deux pailles.
En pinçant les pailles, on remplit une bouteille avec de l'eau chaude colorée en rouge et l’autre d'eau froide incolore.

Observation :
On observe que l'eau chaude colorée en rouge se déverse dans la bouteille de droite par la paille supérieure et reste en haut ; alors que de l’eau froide passe dans la bouteille de gauche par la paille inférieure et reste en bas.

Conclusion :
L'eau chaude plus légère s'élève au dessus de l'eau froide. Pour l’air atmosphérique, il s’agit du même procédé.

La formation d’un nuage est donc due à un refroidissement d’air contenant de la vapeur d’eau qui peut se produire dans diverses situations. Les gouttelettes ou les cristaux de glace ainsi formés sont maintenus en altitude essentiellement grâce à des courants ascendants et à cause des frottements de l’air.

Après avoir étudié la formation des nuages, il convient de voir comment naissent les précipitations.

Eleve de 1ere S4 du lycée Victor Duruy TPE Maths-Physique

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