word - Groupe des Sciences de l`Atmosphère

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Sujet 4
Formation des nuages
Gouttelettes de nuage
En observant le changement du temps au jour le jour certaines questions se posent: Qu'est-ce
qu'un nuage? Qu'est-ce que l'humidité? Comment et pourquoi se forment les nuages? Pourquoi
ils présentent des formes si variées?
Qu'est-ce un nuage?
Chacun sait que la partie visible des nuages est composée de gouttelettes ou de cristaux de glace
de faibles dimensions en suspension dans l'air.
Les nuages sont donc constitués de fines particules d'eau assemblées à l'état liquide (nuages de
gouttelettes) où à l'état solide (nuages de cristaux de glace ou de neige) en masses d'épaisseur,
d'étendues et de formes variables qui flottent dans l'atmosphère. Leur couleur est due à la
diffusion par les particules composant le nuage de tous les rayons visibles incidents provenant du
Soleil ou de la Lune et aussi du ciel et du sol.
Taille et nombre de gouttelettes dans un nuage
Le diamètre des gouttelettes de nuage est compris entre 0,004 et 0,1 millimètre, mais oscille le
plus souvent autour de 0,02 millimètre. Ces gouttelettes tombent en air calme avec une vitesse de
l'ordre de quelques centimètres par seconde. Un courant ascendant très faible est alors suffisant
pour leur permettre de se maintenir dans l'air ou même de s'élever. La vitesse de chute des
gouttelettes correspond à l'équilibre entre la résistance de l'air, qui est proportionnelle au rayon
des gouttelettes et le poids des gouttelettes qui est proportionnel au cube du diamètre. Les grosses
gouttelettes de diamètre supérieur à 0,1 millimètre ont des vitesses de chute de l'ordre du mètre
par seconde et les grosses gouttes de pluie de 5 millimètres de diamètre atteignent des vitesses de
8 mètres par seconde. Au-delà de 5 millimètres de diamètre, les gouttes deviennent instables et se
brisent spontanément. Dans la nature, les courants ascendants assez fort pour maintenir ces
grosses gouttelettes (entre 0,1 mm et 5 mm) en l’air existent seulement dans des orages très
intenses qui sont plutôt rares. Une fois libérées du nuage, ces grosses gouttelettes tombent sous
forme de précipitation (bruine pour les pour fines et pluie pour les plus grosses). La limite de 0,1
millimètre est choisie (quelque peu arbitrairement) pour trancher entre : goutte de nuage et goutte
de pluie.

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source: Wallace et Hobbs 1977 p.173
Figure 4-1: Comparaison des tailles, concentrations et vitesses de chute de quelques
particules impliquées dans la composition des nuages et des précipitations.

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Les flocons de neige ou cristaux de glace ont, à poids égal comparativement aux gouttelettes
d’eau, une vitesse de chute plus faible (de l'ordre du millimètre par seconde pour les particule de
nuage et d'un mètre par seconde pour la neige) à cause de leurs formes, la résistance de l'air est
considérable.
Le nombre de gouttelettes en fonction de leur taille (spectre de taille de gouttes) dépend du
processus de formation du nuage. En général, les nuages formés en masses d'air continentales
sont constitués d'un grand nombre de petites gouttelettes alors que les nuages des masses d'air
maritimes ont des concentrations de gouttelettes plus faibles mais de taille plus élevée. On
expliquera ce phénomène plus tard.
source: Pruppacher et Klett 1980 p.15
Figure 4-2: Spectre de tailles des gouttelettes pour différents types de nuages. Les échantillons de
Cumulus ont été pris à 2000 pieds au-dessus de la base du nuage, les données pour les stratus
orographiques et les stratus épais (dark stratus) sont des moyennes. Notez le changement d’échelle de
l’ordonnée d’une figure à l’autre. a) Nuages orographiques au-dessus d'Hawaii, ; b) Stratus épais au-
dessus de Hilo (Hawaii), ; c) Cumulus au-dessus du Pacifique au large de la côte d'Hawaii, ; d)
Cumulus continental au-dessus des Blues Mts. près de Sydney, Australie; (Source: The Physics of
Rain Clouds par N.H. Fletcher, Cambridge University Press, 1962a)
Changements de phase
Mais quels mécanismes sont à l'origine de la formation de ces gouttelettes? Les processus de
formation des nuages sont complexes et très variés, mais ils amènent toujours à la condensation
ou solidification de la vapeur d'eau. Les changements de phase (vapeur d'eau à l'eau liquide, l'eau
à la glace, etc.) ont des rôles primordiaux dans la formation des nuages.
La vapeur d'eau est un gaz inodore et incolore qui se mélange librement avec d'autres gaz. Au
contraire de l'oxygène, de l'azote et autres, aux températures rencontrées dans notre atmosphère,
la vapeur d'eau peut exister en trois phases (liquide, vapeur, glace) aux températures et pressions
caractéristiques de la surface de la Terre. L'air le plus limpide contient toujours de la vapeur d'eau

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même s'il ne constitue qu'une infime fraction. Son pourcentage varie de 0 à 4 % par volume.
Mais son importance pour la météorologie est bien plus important que son pourcentage...

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Les changements de phase possibles sont:
vapeur ‹—————› liquide (condensation, évaporation)
liquide ‹—————› solide (solidification ou congélation, fusion ou liquéfaction)
vapeur ‹—————› solide (déposition, sublimation)
Pendant un changement de phase, il y a absorption ou dégagement de chaleur comme montre la
figure ci-dessous. Dans la formation des nuages, les mécanismes les plus importants sont ceux
allant de droite à gauche: des changements qui vont dans la direction d'une augmentation de
l'ordre moléculaire.
source: Lutgens et Tarbuck 1986 p.82 (Notez 1 calorie (cal) = 4,1855 Joules (J)) Les chaleurs dégagées sont pour les
températures et pressions normales (autour de 0C et 1012 hPa)
Figure 4-3
L'unité de mesure de la chaleur est la calorie (cal); une calorie est la quantité de chaleur
nécessaire pour augmenter de 1°C la température de 1 gramme d'eau pure (1 calorie (cal) =
4,1855 Joules (J)). En certaines conditions, un corps peut absorber ou dégager de l'énergie sans
changement de sa température. Par exemple si on fournit de la chaleur à une masse de glace
(0°C) la température reste constante jusqu'à que toute la glace soit fondue. Où va cette chaleur?
Dans ce cas, la chaleur est utilisée pour rompre la structure cristalline interne de la glace. Puisque
cette chaleur ne provoque pas un changement de température, on l'appelle chaleur latente. Cette
énergie sera dégagée si jamais le liquide se resolidifie. La chaleur latente joue un rôle très
important dans le déroulement de certains phénomènes atmosphériques.
Évaporation : Passage de l'état liquide à l'état gazeux. Il faut approximativement 600 calories
(2511 J) pour convertir un gramme d'eau liquide en un gramme de vapeur d'eau. Cette énergie est
utilisée pour augmenter l'énergie cinétique (vitesse de déplacement) des molécules d'eau qui
auront à traverser la surface (tension) du liquide. Cette chaleur est libérée quand la vapeur
retourne à l'état liquide. C'est la chaleur latente de vaporisation.
Parce qu'il utilise le chaleur, L'évaporation est un processus qui provoque le refroidissement de
l’environnement lorsqu'il n'y a pas d'apport d'énergie extérieur. Par exemple, ce sont les