Microstructure des nuages

Sujet 4 - Formation des nuages et des précipitations
1 - Généralités
Les processus impliqués dans la formation et l’organisation des nuages et de la
précipitation varient des processus dynamiques associés aux systemes de nuages des
centaines de kilomètres, jusqu'aux des processus physiques et chimiques à une échelle
très petite, de l’ordre d’un micromètre dans le cas de la nucléation et de la croissance des
particules de nuages. Cette partie du cours, a pour objet de décrire des processus
microscopiques au cours desquels les particules de nuages se forment, grandissent, et
éventuellement donnent naissance aux précipitations. Le schéma sur Fig. 4-1 présente ces
processus.
Les nuages sont formés d’un amas visible de fines gouttelettes ou de cristaux de glace, ou
des deux à la fois. Ces particules sont en suspension dans l’atmosphère. Toutes les
particules d’eau liquide ou solide qui forment le nuage, ainsi que les particules en chute,
donc précipitantes, sont appelées hydrométéores. Initialement, on reconnaissait
l’importance de processus microscopiques décrivant l’évolution des hydrométéores,
principalement, en tant que mécanismes responsables de la formation des précipitations.
Ensuite, vers les années 1970, le rôle de ces processus dans le domaine de la chimie
atmosphérique a été mis en évidence. Actuellement, le regain d’intérêt pour les
hydrométéores est surtout attribuable au fait que la microstructure des nuages contrôle ses
propriétés radiatives, d’ou son impact important sur le climat.
Examinons d’abord un nuage entièrement composé des gouttelettes d’eau telles que
présentées schématiquement sur la Fig. 4-2. Le rayon des gouttelettes de nuage est
compris entre 0,002 et 0,1 millimètre mais oscille le plus souvent autour de 0,01
millimètre (10 m). Le nuage formé de telles gouttelettes est une structure stable, qui
puisse demeurer tel quel assez longtemps (plusieurs heures) sans modifications notables.
Ses gouttelettes minuscules 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. On a choisit le rayon de 0,1
mm comme la limite supérieure pour définir une gouttelette de nuage.:
- Les gouttelettes de nuage dès qu’elles rencontrent des régions où l’humidité relative est
inférieure à 100 % (limite du nuage), s’évaporent rapidement. Seules les grosses gouttes,
de rayon supérieur à environ 0,1 mm, peuvent espérer atteindre le sol avant l'évaporation
complète.
- Les gouttes de rayon supérieur de 0,1 mm ont des vitesses de chute de l’ordre du mètre
par seconde. Des courants ascendants dans la nature sont normalement plus faible que
cela, et alors, les gouttes tombent sous forme de bruine (si leur rayon est inférieur à 0,25
mm) ou de pluie.
Les gouttes de pluie de rayon de 2,5 mm, limite au-delà de laquelle les gouttes
deviennent instables et se brisent spontanément, atteignent les vitesses de chute de 9 m/s.
(Flocons de neige ou cristaux de glace ont, à poids égal, une vitesse de chute plus faible,
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autour de 1 m/s pour les flocons, car, à cause de leur forme et densité plus faible, la
résistance de l’air est considérable.)
Figure 4-1 : Formation des nuages et des précipitations.
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Figure 4-2 : Comparaison des tailles, concentrations et vitesses de chute de quelques particules impliquées
dans la composition des nuages et des précipitations.
Le rayon moyen d’une gouttelette nuageuse est de 10 m, tandis que celui d’une goutte
de pluie moyenne est de 1mm=1000 m. Donc, environ un million de ces gouttelettes de
nuage doivent s’agglomérer pour former une goutte de pluie. De l’autre côté, chaque
centimètre cube d’air nuageux contient 10 à 1000 gouttelettes. Dans une précipitation,
pour des rayons de l’ordre de 0,25 mm, on trouve rarement plus de quelques gouttes par
litre, tandis que la concentration des particules précipitantes de plusieurs millimètres peut
descendre jusqu’à une particule par un mètre cube.
.
Le nombre de gouttelettes en fonction de leur taille (spectre de taille, distribution
dimensionnelle de gouttelettes) dépend du processus de formation du nuage, de
l’humidité disponible, de l’altitude au-dessus de la base du nuage, de son stade de
développement et du nombre et de la taille des aérosols (voir plus bas) que les masses
d’air contiennent. En général, les nuages formés dans les masses d’air continental sont
constitués d’un grand nombre de petites gouttelettes alors que les nuages des masses d’air
maritime ont des concentration des gouttelettes plus faibles mais de taille plus grande
(voir Fig. 4-3). La concentration en gouttelettes est en moyenne 5 à 10 fois plus forte
dans les nuages d’origine continentale que dans ceux d’origine océanique. Dans les
nuages d’origine océanique, les gouttelettes sont moins nombreuses et chacune peut donc
disposer d’une plus grande part de l’eau disponible pour grossir. On observe dans ces
nuages des spectres qui sont souvent plus larges que ceux observés dans les masses d’air
d’origine continentale. Plus un nuage est développé, plus le spectre de taille des gouttes
tend à s’élargir vers les forts diamètres et plus la probabilité d’obtenir des précipitations
est grande. Un nuage d’origine continentale, a besoin, en général, de se développer
beaucoup plus qu’un nuage de type océanique pour donner naissance à des précipitations.
Pour expliquer le dernier phénomène, il faut savoir que, pour former les gouttelettes ou
les cristaux de nuage, la condensation de la vapeur d’eau atmosphérique exige à la fois la
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saturation et la présence des aérosols constituant un substrat sur lequel les molécules
d’eau peuvent se coller, se lier ensemble et former une gouttelette ou un cristal. Nous
savons déjà comment la saturation peut se trouver réalisée dans l’atmosphère. L’étude
des aérosols atmosphériques est alors nécessaire pour la compréhension des phénomènes
de condensation dans l’atmosphère. Après une brève description des aérosols
atmosphériques, la naissance des gouttelettes nuageuses sera abordée. Ensuite, notre
intérêt sera dirige vers les nuages à températures négatives, appelés froids. La formation
des précipitations dans le nuage constitue une étape ultérieure de son développement, et
elle fait appel à des interactions complexes entre les gouttes et éventuellement les
cristaux de glace.
Fig. 4-3
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2 - Particules d’aérosol atmosphérique
Une particules d’aérosol atmosphérique est une particule solide ou liquide en suspension
dans l’atmosphère constituée essentiellement de substance(s) autre que l’eau. Ce sont de
très fines particules, dont la plupart sont trop petites pour être visibles à l’œil nu. Certains
de ces aérosols jouent le rôle de noyau de condensation nuageuse ou de noyau glaçogène.
D’où le contenu en aérosols et leur composition conditionnent le nombre et la grosseur
des gouttelettes et des particules de glace dans le nuage, et donc, aussi son aptitude à
former des précipitations. Sans les aérosols, la vapeur resterait en sursaturation et ne
pourrait pas se liquéfier ou recristalliser qu’à des sursaturation très élevées ou à des
températures beaucoup plus basses. Mais aussi, ces particules ont une influence sur le
bilan radiatif de l’atmosphère, elles interviennent dans les échanges océan-atmosphère et
dans la radioactivité atmosphérique. Elles constituent l’indice principal de la pollution
atmosphérique.
Fig. 4-4 Approximate size ranges of aerosol of importance in various atmospheric phenomena.
Le nombre et la composition des aérosols varient fortement dans l’espace et dans le
temps. Ils sont généralement beaucoup plus nombreux au-dessus des terres qu’au-dessus
des mers et au-dessus des villes qu’au-dessus des campagnes. Leur nombre varie aussi
avec la force du vent, la stabilité de la masse d’air et l’occurrence de précipitations qui
lavent l’atmosphère. Cependant, seuls les aérosols qui demeurent en suspension pendant
au moins une heure semblent avoir un impact sur les processus atmosphériques. La limite
de leur grosseur est d’environ 50 m. La taille des particules qui prennent part aux
processus atmosphériques dépasse le plus souvent 0,1 m et leur concentration est de
l’ordre de 50 à 1 000 par centimètre cube, ou plus.
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Les aérosols se forment à partir de deux mécanismes distincts :
i) Les plus grosses particules sont produites essentiellement par des moyens
mécaniques comme les vents de sable, etc.. La taille de ces particules est de l’ordre de 1
m, mais elles peuvent atteindre la taille de 10 m ou plus (jusqu’a 50 m). Les océans
sont la source principale des gros cristaux de sel marin, issus de l’évaporation d’embruns
ou de l’éclatement de bulle d’air emprisonné. Certaines de ces particules plus imposantes
sont d’origine humaine, résultant de procèdes comme l’exploitation de carrières et de
mines à ciel ouvert. Ces grosses particules jouent le rôle des noyaux de condensation
nuageuse, cependant, dû à leur concentration relativement faible, leur contribution est
limitée.
ii) La genèse des aérosols plus fins commence par la phase gazeuse. Différents
processus de condensation (transformations gaz-particule) génèrent principalement ces
aérosols de grosseur qui se situe entre les amas moléculaires (0,001 à 0,003 m) et
environ 1 m. Parmi les principaux impuretés gazeuses étant à l’origine de cet aérosol est
le dioxyde de soufre, SO2. Il est le plus actif donnant naissance à des gouttelettes d’acide
sulfurique, H2SO4, et à des particules des sulfates. Ces derniers sont les constituants
principaux des particules fines dans la plupart du Globe. Les industries sont les
importantes sources de SO2. Le phytoplancton marin libère également des composés
soufrés qui réagissent avec des composés chimiques présents dans l’air pour former SO2.
Les aérosols les plus fins ont une concentration la plus élevée; ils s’agglutinent et forment
les particules plus grandes qui deviennent les noyaux de condensation de nuage.
Les aérosols qui provoquent la nucléation de la glace sont appelés noyaux glaçogènes.
Ces particules sont actives à des températures variables; le seuil d’activation de la plupart
des substances naturelles est autour de -10 à -12 C. Ces particules sont en fait beaucoup
plus rares que les noyaux de condensation de nuage.
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Fig. 4-5
Tableau 4-1 :
Temps que mettent les particules pour chuter de 1 km dans l’atmosphère par
sédimentation.
Temps pour chuter de 1 km
228 ans
36 ans
3,2 ans
328 jours
14,5 jours
3,6 jours
23 heures
1,1 heure
4
minutes
1,8 minutes
Diamètre de la particule (m)
0,02
0,1
0,5
1,0
5,0
10,0
20,0
100,0
1000,0
5000,0
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