Que se passe-t-il dans les nuages ?

Publié par Encyclopédie Environnement, le 9 décembre 2021 1.9k

Brouillard, cumulonimbus, cirrus… Les nuages sont présents dans l’atmosphère à des altitudes très diverses et présentent une grande variété de formes, d’aspect, de température et de composition. Sources des précipitations, ils ont un impact important sur les activités humaines tant pour des questions économiques (agriculture, tourisme, transports…) que de sécurité (cyclones, orages…). Ils sont composés d’hydrométéores de tailles variées qui évoluent et interagissent en permanence à toutes les échelles et sont soumis à la circulation atmosphérique globale.

Qu’est-ce qu’un nuage ?

Un nuage est composé d’air, de vapeur d’eau et de particules d’eau liquide ou solide en suspension dans l’atmosphère. Ce sont ces particules, appelées hydrométéores, de taille et de forme très variées, qui le rendent visible (https://www.encyclopedie-environnement.org/air/couleurs-ciel/) et qui sont responsables de phénomènes lumineux remarquables (https://www.encyclopedie-environnement.org/zoom/arc-en-ciel/, https://www.encyclopedie-environnement.org/air/halos-atmospheriques/). La masse d’eau condensée contenue dans les nuages est considérable et peut dépasser 50 tonnes dans un cumulus de beau temps.

Les plus petits hydrométéores comme les gouttelettes et petits cristaux présents dans les brouillards sont facilement maintenus en suspension par les mouvements de l’air les plus faibles. Cependant, suite à des coalescences, certains nuages peuvent former des hydrométéores plus gros et plus denses qui donnent lieu aux précipitations : pluie, neige ou grêle.

On observe le plus souvent les hydrométéores liquides dans les nuages à température positive. Cependant, les gouttes d’eau ne gèlent pas facilement à des températures faiblement négatives, et il n’est pas rare de rencontrer de l’eau liquide dans des nuages à des températures pouvant aller jusqu’à -30°C. On parle alors d’eau surfondue. Cet état est instable et les gouttelettes gèleront très facilement au contact de particules ou de surfaces déjà gelées (Figure 2). Ce phénomène est responsable des pluies verglaçantes et du givrage des avions en vol.

Inversement, bien que l’on observe généralement les hydrométéores glacés dans les nuages à température négative, ces hydrométéores ne fondent pas instantanément lorsqu’ils chutent dans une masse d’air à température positive. Ainsi, les phases liquide et solide de l’eau peuvent cohabiter et interagir dans les nuages. Ce sont ces interactions qui peuvent conduire à la formation d’hydrométéores givrés tels que le grésil et la grêle.

Figure 1. Gel de la vapeur d’eau contenue dans l’air au contact de surfaces solides à température négative [Source : Pixabay, d’après https://www.encyclopedie-environnement.org/air/physique-nuages/].

Comment se forme un nuage ?

L’atmosphère est composée d’un mélange d’air sec (azote, oxygène…) et de vapeur d’eau invisible à l’œil nu. La quantité de vapeur est cependant limitée et dépend directement de la température : plus l’air est chaud, plus il pourra contenir d’eau sous forme de vapeur (jusqu’à 7% de son volume dans les régions tropicales). Les nuages se forment donc lors du refroidissement d’une masse d’air : quand la température diminue suffisamment et que l’air ne peut plus contenir toute sa vapeur d’eau, des molécules en excès rejoignent des particules atmosphériques déjà formées, appelées aérosols, pour former des gouttelettes ou des cristaux.

Lors de la formation d’un nuage, les gouttelettes et les cristaux ne se forment donc pas seuls spontanément, mais par agglomération des molécules en surnombre sur des aérosols, dont la taille peut aller de quelques nanomètres à quelques microns et dont l’origine peut être naturelle (sels marins, aérosols organiques…) ou anthropique (carbone suie issue de la pollution par exemple). C’est ce que l’on appelle l’activation des aérosols. Outre les conditions atmosphériques, notamment la température et l’humidité, le type et la taille des aérosols influencent grandement le nombre, le type et la taille des hydrométéores formés : certains aérosols, qualifiés de noyaux de condensation, facilitent la formation de gouttelettes, quand d’autres, les noyaux glaçogènes, permettent la production de cristaux.

Le refroidissement des masses d’air qui conduit à la formation de nuages peut être d’origine radiative : la nuit, en l’absence de chauffage solaire, la surface terrestre se refroidit par émission de rayonnement infrarouge vers l’espace. La température des basses couches de l’atmosphère diminue donc, ce qui peut conduire à la formation de rosée puis, si les conditions atmosphériques (vent, turbulence) sont favorables, de brouillard.

Figure 2. Brouillard sur un paysage vallonné [Source : Pixabay, d’après https://www.encyclopedie-environnement.org/air/physique-nuages/].

Le soulèvement de masses d’air, qui subissent une détente puisque la pression atmosphérique diminue avec l’altitude, constitue un autre mécanisme fréquent de refroidissement dans l’atmosphère, capable de conduire à la formation de nuages. Ce soulèvement peut être forcé par la circulation atmosphérique globale (https://www.encyclopedie-environnement.org/air/la-circulation-atmospherique/), par le conflit de masses d’air possédant des températures différentes lors de l’arrivée de fronts chauds ou froids, ou encore par un chauffage en surface qui déstabilise l’atmosphère (https://www.encyclopedie-environnement.org/air/les-orages/ et https://www.encyclopedie-environnement.org/air/cyclones-tropicaux-developpement-organisation/).

Figure 3. Représentation schématique d’un soulèvement frontal [Source : © Météo France - Comment se forme un nuage ?]

Comment se forment les précipitations ?

Une fois le nuage formé, les interactions entre hydrométéores et vapeur d’eau ne cessent pas, en réponse aux changements de température. Par exemple, si le refroidissement de la masse d’air se poursuit, la condensation fera grossir les gouttelettes déjà formées. Mais une autre catégorie de processus vient aussi diriger l’évolution du nuage : les interactions entre différents hydrométéores. En effet, tous les hydrométéores présents sont en mouvement, et leurs collisions modifient fortement la composition nuageuse. Ces collisions peuvent donner lieu à des coalescences (deux petites gouttelettes en forment une plus grosse), fragmenter les hydrométéores (choc entre un grêlon et un flocon de neige), s’accompagner de changements de phase (congélation d’une gouttelette d’eau surfondue au contact d’un cristal de glace), et initier la formation d’éclairs (https://www.encyclopedie-environnement.org/air/les-orages/).

Figure 4. Représentation schématique des processus internes à un nuage : activation/nucléation des aérosols en gouttelettes et cristaux, puis condensation/évaporation/collection conduisant aux précipitations [Source : © Benoit Vié, d’après https://www.encyclopedie-environnement.org/air/physique-nuages/]

Lors de la formation du nuage, tant que celui-ci est formé de petites gouttelettes ou cristaux présentant peu de différences de taille, les collisions sont liées aux petits mouvements turbulents de l’air dans le nuage et restent peu nombreuses. Toutefois, petit à petit, des hydrométéores plus gros se forment. Lorsque des hydrométéores de tailles différentes, et donc de vitesses de chute différentes cohabitent dans le nuage, les plus grosses particules entrent en contact avec beaucoup plus de petites particules, et ces processus deviennent prépondérants pour la formation des précipitations.

La composition initiale du nuage est également déterminante pour son évolution et la formation des précipitations. Dans un brouillard formé d’une multitude de très petites gouttelettes en suspension, les processus de collection-coalescence sont insuffisants pour former des précipitations. Au contraire, si le nuage contient initialement moins de gouttelettes, mais que celles-ci sont plus grosses et de tailles variées, la formation de pluie est plus rapide. C’est parce que les aérosols déterminent le nombre et la taille des hydrométéores formés dans les nuages, qu’ils ont un effet important sur tous les nuages, du brouillard aux grands systèmes convectifs.

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Image de couverture. Exemple de nuage en pleine évolution [Source : Pixabay, d’après https://www.encyclopedie-environnement.org/air/physique-nuages/].

Ce texte est tiré de l’article Que se passe-t-il dans les nuages ? de Benoit Vié, Chercheur au CNRM (Centre National de Recherches Météorologiques), Météo-France/CNRS, Université de Toulouse, publié dans encyclopedie-environnement.org.

Ce travail a été réalisé grâce au soutien financier d' UGA Éditions dans le cadre du programme "Investissement d'avenir", et de la Région Auvergne Rhône-Alpes.