Sujet 4 Formation des nuages - 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.
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
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 molécules
d'eau les plus énergétiques qui s'échapperont de la surface liquide. Ainsi l'énergie cinétique (vitesse
de déplacement) moyenne des molécules (la température) qui restent diminue.
Condensation : C'est le processus inverse de l'évaporation, le passage de l'état gazeux à l'état liquide.
Dans ce changement de phase, il y a dégagement de chaleur latente et un réchauffement de
l'environnement.

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Fusion : C’est le changement de l'état solide à l'état liquide. L'énergie nécessaire pour détruire la
structure cristalline d'un gramme de glace est de 80 calories (335 Joules) La solidification est le
processus inverse. Il y a libération de 80 calories (335 Joules) pour chaque gramme d'eau qui se
transforme en glace (chaleur latente de fusion).
Sublimation : C'est le terme qui désigne la conversion de solide en gaz sans passer par l'état liquide.
La chaleur latente de sublimation est de 680 calories (2866 Joules) par gramme. Le processus
inverse est la déposition. Le passage d'un gramme de vapeur d'eau à un gramme de glace libère 680
calories ou 2866 Joules (chaleur latente de sublimation). À noter que la chaleur latente de
sublimation est égale à la chaleur latente d'évaporation plus la chaleur latente de fusion.
Humidité relative
L'humidité : C'est le terme utilisé pour décrire la quantité de vapeur d'eau dans un volume d'air. On
utilise plusieurs méthodes pour exprimer de façon quantitative cette grandeur. Entre autres:
L'humidité absolue, le rapport de mélange, et l'humidité relative. Mais avant de considérer chacune
de ces définitions il est important de comprendre le concept de saturation.
Lutgens et Tarbuck 1986 p.84
Figure 4-4: Illustration schématique de la pression de vapeur et de la saturation. On
peut remplacer l'air sec par le vide sec et le processus est exactement pareil.

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Imaginons un contenant fermé et rempli à moitié d'eau et à moitié d'air sec (ou le vide) (voir figure
4.4). On sait que la température est la mesure de l'énergie cinétique des molécules. Puisque l’eau a
une température supérieure au zéro absolu (supérieure à 0 K, -273°C), les molécules de l'eau sont en
mouvement permanent. Les plus énergétiques vont réussir à rompre les liens qui les unissent aux
autres molécules d'eau et s'échappent en forme de vapeur d'eau. C'est l'évaporation.
Au fur et à mesure que l'eau s'évapore on détecte une faible augmentation de pression de l'air au-
dessus de la surface d'eau. Cette augmentation est due au mouvement des molécules d'eau qui se
sont additionnées à l'air (ou le vide) par évaporation. Dans l'atmosphère, cette pression qui est due à
la présence seulement de la vapeur d'eau est appelée pression ou tension de vapeur. La tension de
vapeur est définie comme la fraction de la pression atmosphérique totale qui est attribuable à la
quantité et au mouvement de molécules de vapeur d'eau.
Les molécules d'eau qui existent dans l'air ne sont pas au repos. Un certain nombre frappe la
surface libre du liquide et réintègre l'eau; c'est à dire, passe de l'état gazeux à l'état liquide. Plus il y
a de molécules d'eau dans l'air plus il y en aura qui retourneront à l'état liquide. À un moment donné,
le nombre de molécules qui passe à l'état de vapeur est égal au nombre de molécules qui passe à
l'état liquide. A ce moment, l'air (ou volume qui était vide) est dit "saturé" ce qui veut dire que le
nombre de molécules de vapeur d'eau que volume contient ne varie plus. Le système est en
équilibre. Quand l'air est saturé la pression partielle exercée par la vapeur d'eau est appelée pression
(ou tension) de vapeur saturante.
Cependant, si on augmente la température de l'eau du contenant, les molécules ont plus d'énergie et
une plus grande quantité d'eau s'évapore avant d'atteindre l'équilibre entre les deux phases. Par
conséquent la pression (ou tension) de vapeur saturante dépend de la température et augmente avec
celle-ci. Ce qui veut tout simplement dire qu'à des températures plus élevées il doit y avoir plus de
vapeur d'eau dans l'air pour que celui-ci soit saturé. On peut maintenant apprécier mieux les
différences entre les méthodes les plus familières de mesurer le contenu de vapeur d'eau dans l'air.
Humidité absolue: C'est la masse de vapeur d'eau contenue dans l'unité de volume d'air
(normalement Kilogrammes de vapeur d'eau par mètre cube d'air). Cependant, les variations de
température et pression peuvent changer le volume. Quand le volume change, son humidité absolue
change elle aussi, même s'il n'y a aucun apport ou perte de vapeur d'eau. Par conséquent, il est
difficile de connaître l'humidité absolue d'une parcelle d'air. Les météorologistes utilisent plutôt le
rapport de mélange (voir ci-dessous) pour caractériser l'humidité des parcelle d'air.
Rapport de mélange: C'est la masse de vapeur d'eau contenue dans l'unité de masse d'air sec
(Kilogrammes de vapeur d'eau par kilogramme d'air). Puisqu'il est mesuré en termes de masse, le
rapport de mélange actuelle ne dépend ni de la pression ni de la température des parcelles d'air. La
limitation de cette méthode est la difficulté à mesurer directement la quantité de vapeur d'eau
existante dans une masse d'air. On peut heureusement obtenir le rapport de mélange et l'humidité
absolue en utilisant d'autres mesures de humidité tels que l'humidité relative, température de la
thermomètre mouillé ou du point de rosée. Dans le sujet 1, on a expliqué comment on évalue
l'humidité relative à partir de la température de thermomètre mouillé ou de point de rosée.
Humidité relative: L'humidité relative est par définition le rapport entre la quantité de vapeur d'eau
dans une parcelle (le rapport de mélange actuel) par rapport à la quantité maximale de vapeur d'eau
que la parcelle peut contenir (le rapport de mélange à la saturation) qui dépend surtout de la
température (Voir le tableau 4.1) et en moindre mesure de la pression. En d'autres mots: l'humidité
relative compare la quantité d'eau présente dans l'air et la quantité qu'il faudrait pour saturer ce même
volume d'air à la même température.