De si beaux nuages
Qui n’a pas joué, enfant, à essayer de reconnaître des formes dans les nuages ? Plus tard, on y prête moins attention. On se contente de pester lorsqu’une épaisse couverture nuageuse bouche le ciel. A moins qu’un ciel plombé soit annonciateur de l’orage et nous invite à presser le pas pour nous mettre à l’abri.
Pour qu’un nuage se forme, il faut que de la vapeur d’eau se mêle à l’air ambiant (évaporation à la surface d’une nappe d’eau, transpiration des forêts...). La masse molaire de la molécule d’eau est de 18g/mol et celle de l’air est proche de 29g/mol (78% de N2 et 22% de O2). L’air humide est donc plus léger que l’air sec. Il aura tendance à s’élever. Cette tendance peut être amplifiée au dessus d’un sol chaud, ou lorsque le vent pousse cette masse d'air en direction d’un relief, ou encore lorsqu’elle rencontre un front d’air froid. En s’élevant, l’air se refroidit. Or, lorsqu’une masse d’air humide se refroidit, la quantité de vapeur qu’elle peut contenir diminue. En termes scientifiques, on dit que la pression de saturation de la vapeur d’eau diminue avec la température. Dès lors, la vapeur d’eau se condense autour de microparticules en suspension (des aérosols) pour former de minuscules gouttelettes ou des microcristaux de glace. La présence de ces aérosols est déterminante : en leur absence, la vapeur peut subsister dans un état métastable de surfusion tant que la température dépasse -40°C.
La couleur d’un nuage est due à la diffraction de la lumière par les gouttelettes. Celles-ci sont sphériques, la diffraction se fait donc dans toutes les directions. C’est pourquoi les nuages sont blancs. Lorsqu’ils nous apparaissent gris, c’est qu’ils sont à l’ombre d’autres nuages.
Lorsqu’un nuage est prêt d’éclater, la taille des gouttes qui le composent est plus importante. Il y en a donc proportionnellement moins. A quantité d’eau équivalente, un nuage qui contient des gouttelettes de 100 microns en a 1000 fois moins qu’un nuage qui contient des gouttelettes de 10 microns. De son côté, la capacité à diffuser de la lumière est proportionnelle à la surface des gouttes. En théorie, un nuage prêt à éclater diffuse donc 10 fois moins de lumière qu’un nuage « jeune ». Si l’on tient compte en plus des effets de diffusion multiple, ce facteur est amplifié. C’est la raison pour laquelle un ciel d’orage est très sombre.
Qu’est-ce qui refroidit l’air ?
Le refroidissement de l’air est un phénomène courant, en particulier lorsque l’air est animé d’un mouvement ascendant. La loi des gaz parfaits s’applique aux nuages. Si la pression baisse, la température diminue :
De fait, la température baisse d’un degré tous les 150 m.
Le soulèvement d’une masse d’air peut prendre deux formes. Un soulèvement convectif et turbulent dans une zone instable conduit à la formation de nuages ayant une hauteur importante mais une base de surface limitée. On parle alors de cumulus. Lorsque l’air est stable, le soulèvement est lent, les nuages forment alors des nappes très étendues mais relativement peu épaisses. Il s’agit alors de stratus. Les cirrus sont des nuages assez peu denses (sous forme de flocons ou de trainées) qui se forment à une altitude de 6 à 7000 m, bien plus haut que le plancher des stratus et des cumulus.
Cette classification très schématique a été raffinée par les météorologues pour prendre en compte toutes les combinaisons : cirrocumulus, stratocumulus, altocumulus et altostratus (cumulus et stratus en altitude moyenne), nimbostratus…
La taille des particules d’eau en suspension et la masse des nuages
La taille des gouttelettes varie entre un micron et 100 microns. Une goutelette de 100 microns ne pèse que 0,5 microgramme et une goutelette d'un micron 0,5 millionième de microgramme... Les gouttes les plus grosses ont tendance à tomber lentement (30 cm/s), les plus légères restent en suspension dans le flux d'air ascendant. Ceci dit, la teneur en eau à l'état liquide ou solide d’un nuage reste faible : 0,3 g/m3 pour un cumulus, de 0,5 à 5 g/cm3 pour un cumulonimbus.
Nota : lorsque le diamètre des gouttelettes dépasse 100 microns, ou lorsque la masse des cristaux devient trop importante, il se met à pleuvoir ou à tomber de la grêle.
Un nuage peut peser très lourd : le volume d’un nuage s’exprime en km3 ! Prenons le cas d’un cumulus. Avec une densité de 0,3 g/m3 cela nous fait 300 t/km3. Pour un nuage qui s’étend sur 5 km2 avec 1000 m d'épaisseur, on arrive à 1500 tonnes d’eau. Et oui, 1500 tonnes d'eau au dessus de notre tête dans ces nuages qui nous paraissent si légers...
Dans le cas d’un cumulonimbus, on change d'échelle. On passe à une hauteur pouvant atteindre 7000 m, voire 10000 m pour les gros orages d’été. Or, un tel nuage peut s’étaler sur des dizaines de km2. Prenons un cumulonimbus de 20 km2 et 7000 m d’épaisseur avec une densité de 2g/cm3 : il contient 280 000 tonnes d'eau à l'état liquide ou solide ! Certains peuvent aller jusqu’à un million de tonnes... Si toute cette eau se déverse en quelques heures sur un sol assez peu perméable dans une vallée encaissée, on comprend mieux la soudaineté et la violence des crues qui font la une de l'actualité à la fin de l'été !
Dans la famille des cumulus, les champions toutes catégories sont les cumulonimbus. La base des cumulonimbus peut être très basse, quelques centaines de mètres, et ils peuvent culminer à 10 000 m ou 15 000 m, voire plus. Ils sont le résultat de mouvements convectifs violents. A l’origine des cumulonimbus il y a souvent une couche d’air chaud et humide qui s’est immiscée en dessous d’une masse d’air froid et sec en altitude.
Les mouvements rapides au sein du nuage induisent une ionisation des corps en mouvement. Dans leur chute, les gouttes de pluies ou les grains de glace entrent en collision avec les gouttelettes ou les microcristaux de glace qui s’élèvent. Les grains de glace (le grésil) se chargent positivement ou négativement en fonction de la température. Il en résulte une polarisation du nuage, avec les zones froides chargées négativement et les zones plus chaudes chargées positivement (la limite se situe à -15° C environ, c’est-à-dire à 5000 m). Cette polarisation est renforcée par différents phénomènes. Au sommet du cumulus, par exemple, les molécules d’air sont ionisées par le rayonnement. Les charges accumulées peuvent être énormes. Elles induisent un champ électrique important. Si des objets pointus sont présents sous le nuage, ce champ électrique ionise l’air et crée un flux de charges électriques qui rejoignent le nuage et augmente sa charge.
Lorsque le champ électrique induit dépasse les limites diélectriques de l’air, il y a une décharge : c’est l’éclair. La foudre réchauffe instantanément l’air qu’elle traverse. Il se crée une onde de choc : c’est le tonnerre.
