1. Pourquoi étudier les nuages

LES NUAGES
1. Pourquoi étudier les nuages ?
Les nuages recouvrent en permanence plus de trente pour cent de la surface du globe. Il
est très important de les comprendre pour pouvoir observer et « prédire » le climat.
L’étude des nuages est depuis le début des années 40 un sujet important de recherches. En
effet, les radars ne traversent pas la couche nuageuse, et la physique des nuages s’est révélée
un domaine majeur des sciences atmosphériques pour le climat et la pollution atmosphérique.
Au tout début, cette étude était financée par le ministère des armées. Vers 1970, c’est le
ministère de l’équipement qui a pris la relève. Aujourd’hui, c’est le ministère de l’écologie
qui finance ces recherches.
Les nuages sont la conséquence de deux phénomènes primordiaux pour la température de
la Terre. Le soleil émet un rayonnement lumineux puissant (ondes lumineuses : spectre de la
lumière) : il est en partie alors stoppé par les nuages. C’est l’effet parasol.
Les nuages prennent aussi part dans l’effet de serre, qui consiste à conserver une part
importante de la chaleur émise par la Terre (ondes infrarouges).
Ces deux phénomènes s’équilibrent vers 15°Celsius environ.
Il est donc primordial de comprendre les nuages pour pouvoir prévoir le climat.
2. De quoi est composé un nuage ?
En 1908, Bergeron découvre que les nuages doivent contenir de la glace pour qu’il pleuve.
Il y a donc plusieurs types de nuages, certains faisant pleuvoir (comme les cumulonimbus) et
les autres ne le faisant pas (comme les cirrus).
Un nuage est composé :
- de gouttelettes d’eau
- de cristaux de glace
- de microparticules
Certains nuages ne contiennent que des microparticules ainsi que des gouttelettes d’eau
(ils sont appelés nuages chauds) ; d’autres sont composés de cristaux de glace à la place de
gouttelettes d’eau (ce sont alors des nuages froids) ; et d’autres contiennent à la fois des
gouttelettes d’eau, des cristaux de glace et des microparticules : ce sont des nuages mixtes.
Curieusement, tous les cristaux de glace contenus dans les nuages ont six faces. Cette
particularité étonnante observée depuis l’antiquité en Chine n’a toujours pas trouvé
d’explication scientifique actuellement.
3. Comment observer les nuages ?
Pour observer les nuages, on peut envoyer des sondes ou y aller en avion.
Ensuite, on peut les reproduire dans un simulateur. Il n’en existe qu’un seul au monde :
ces simulateurs sont en effet très coûteux. Ce simulateur est composé d’une chambre qui peut
descendre jusqu’à -70°Celsius environ et peut reproduire des pressions de quelques millibars,
de l’ordre que l’on peut trouver dans l’atmosphère.
On peut aussi mettre en équations mathématiques les mesures trouvées, puis les intégrer à
un logiciel pour pouvoir simuler virtuellement la formation de nuages.
On n’a réussi actuellement qu’à mettre une partie des données en équations, les autres ne
correspondant pas.
4. Comment se forme un nuage ?
Un nuage se forme lorsque de l’eau s’évapore, puis forme des microgouttelettes en
altitude : le nuage apparaît. La vapeur d’eau étant invisible, on ne voit en l’air que les
gouttelettes qui se sont condensées en s’élevant en altitude.
La vapeur d’eau peut s’élever de plusieurs façons avant de former un nuage. Tout d’abord,
peut monter par convection : la vapeur d’eau étant plus chaude que l’air environnant, elle
s’élève jusqu’où elle se condensera en nuages. L’eau en s’évaporant prend en effet de
l’énergie, et l’air se refroidit alors. Mais en se condensant, elle rend de l’énergie. Elle arrive
donc au moment à un certain point, et arrête de s’élever.
Avec la situation de Clermont-Ferrand par rapport au Puy-de-Dôme, la ville bénéficie
d’un microclimat et a autant d’ensoleillement que Casablanca au Maroc. Les nuages venant
de l’ouest montent en effet à l’approche des montagnes et font pleuvoir en se refroidissants.
Ils sont donc arrêtés par la chaîne des puys avant d’arriver à Clermont-Ferrand. Ces nuages
faisant pleuvoir à l’approche d’une montagne s’appellent nuages orographiques.
La formation de nuages orographiques est souvent suivie de la formation de nuages
lenticulaires. Ces derniers sont créés par les turbulences créées par le nuage orographique
lorsqu’il s’élève le long de la montagne. C’est pourquoi il y a pratiquement toujours des
nuages au sommet d’une montagne.
Il y a enfin les nuages frontaux. Ces nuages se forment lorsqu’ils rencontrent de l’air
froid : soit ils s’élèvent juste au-dessus de la couche d’air froid (formant ainsi des cirrus), soit
ils s’élèvent brusquement lors de leur contact avec l’air froid : de gros cumulonimbus se
forment alors. Les cirrus sont caractérisés par de longues traînées blanches situées haut en
altitude. Ils annoncent un nimbostratus (nuage faisant pleuvoir) qui s’est formé au contact de
l’air froid. Les cumulonimbus sont eux précédés d’altocumulus.
Quelques fois, les nuages mélangent ces différents phénomènes et des stratocumulus
apparaissent par exemple.
Une gouttelette d’eau se forme avec plusieurs molécules d’eau qui s’agrègent autour de
particules en suspension. Ces particules peuvent être des cristaux de sel (avec les embruns
marins), du sable (des « nuages » de poussière se forment parfois), de la suie (provenant
d’incendies de forêts par exemple), de cendres volcaniques (provoquant une énorme pollution
déréglant le climat sur plusieurs mois voire années) ou des particules émises par l’homme.
Lorsque des particules importantes et peu importantes sont en suspension dans l’air, de
grosses gouttelettes se formant : le nuage est gris car il ne laisse pas passer la lumière. Au
contraire, si les particules sont petites et abondantes, des nuages blancs se forment.
Le sujet des cristaux de glace présents dans les nuages n’est pas actuellement maîtrisé :
des erreurs de plus de 1000% apparaissent lors de certains calculs.
5. L’observatoire du Puy-de-Dôme
1648 : Blaise Pascal expérimente la pression atmosphérique au sommet du Puy-de-Dôme
avec un tube contenant du mercure
vers 1850 : installation d’un premier centre d’observation au sommet du Puy-de-Dôme
L’observatoire de physique du globe de Clermont-Ferrand est un centre français jouant un
rôle important dans la météorologie et la géologie (centre d’études sismiques). Il regroupe
différents laboratoires.
La partie étude du climat observe les nuages, la radioactivité, l’effet de serre, les gaz
réactifs, l’aérobiologie (étude des virus et des bactéries dans l’air), les poussières et la
météorologie.
L’observatoire est utilisé pour différentes missions ; aussi bien par L’Union Européenne
que par le centre d’études basé à Clermont-Ferrand.
Au total, plus de 40 paramètres (la teneur en ozone, la température, la pression, le ph…)
sont enregistrés chaque minute avant d’être envoyés sur un serveur en libre accès.