Microphysique des nuages

SCA 3641
MÉTÉOROLOGIE PHYSIQUE
PARTIE 2 : microphysique des nuages
Eva Monteiro, 2007

Microphysique des nuages
SCA6341 : Météorologie physique
Eva Monteiro 2
Table de matières
1 Formation des nuages ................................................................................................. 4
2 La formation des précipitations .................................................................................. 5
3 Microstructure des nuages et des précipitations ......................................................... 8
3.1 Nuages contenant de l'eau liquide....................................................................... 8
3.2 Distribution des gouttelettes de nuage en fonction de leurs dimensions............ 8
3.3 Brouillards......................................................................................................... 10
3.4 Pluie .................................................................................................................. 10
3.5 Neige................................................................................................................. 12
3.6 Grêle.................................................................................................................. 12
4 Formation des gouttelettes de nuage......................................................................... 14
4.1 Tension superficielle......................................................................................... 14
4.2 Nucléation des gouttes de nuage....................................................................... 16
4.3 La nucléation hétérogène.................................................................................. 18
4.3.1 Pression de vapeur des solutions. Loi de Raoult....................................... 18
5 Formation des cristaux de glace................................................................................ 23
5.1 La nucléation homogène................................................................................... 23
5.2 Nucléation hétérogène ...................................................................................... 24
5.3 Concentration de particules de glace dans le nuage.......................................... 26
6 Croissance des gouttelettes dans les nuages chauds................................................. 27
5.4 Croissance par diffusion ................................................................................... 27
5.5 Croissance d'une population de gouttelettes..................................................... 30
5.5.1 Profil du rapport de saturation (S) ............................................................ 30
6 Formation de la précipitation dans les nuages chauds.............................................. 31
6.1 Vitesse de chute des gouttes ............................................................................. 31

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6.2 Collision............................................................................................................ 34
6.3 Coalescence....................................................................................................... 35
6.4 Croissance par collision continue ..................................................................... 36
6.5 Croissance stochastique.................................................................................... 38
7 Croissance des particules de glace............................................................................ 39
7.1 Croissance par diffusion ................................................................................... 39
7.2 Croissance par givrage: grêlons........................................................................ 44
7.3 Croissance par agrégation................................................................................. 46
7.4 Formation de la précipitation dans les nuages froids........................................ 47
8 Références................................................................................................................. 48

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Physique des nuages
1 Formation des nuages
La plupart des nuages atmosphériques sont associés à des courants d'air ascendants. On
note trois principaux types de soulèvements:
1. le soulèvement orographique qui est relié à la présence d'un relief, par exemple une
barrière montagneuse,
2. le soulèvement de grande échelle, relié à la convergence horizontale des masses d'air,
comme un centre de basse pression par exemple, et
3. le soulèvement convectif qui est lié à l'instabilité thermique au sein d'une masse d'air.
Par exemple, lors d'un réchauffement des basses couches atmosphériques pendant un
jour ensoleillé, l'air au voisinage du sol peut devenir moins dense que l'air des
couches immédiatement au-dessus.
Une parcelle d'air soulevée dans l'atmosphère voit sa pression diminuer. Elle se détend
alors de façon plus ou moins adiabatique (dans certains cas le diabatisme est
particulièrement important, notamment dans les cumulus d'alizés), sa température
diminue et son humidité relative augmente. Si le refroidissement est suffisant, l'humidité
relative dépasse les 100 %; une partie de la vapeur d'eau qui est contenue dans la
particule d'air se dépose alors sur des aérosols et forme de minuscules gouttes d'eau qui
constituent le nuage. Une importante libération d'énergie accompagne ce phénomène
(chaleur latente de condensation) et donne une poussée supplémentaire au nuage
(augmentation de la poussée d'Archimède). Dans l'atmosphère, de nombreux aérosols
peuvent jouer le rôle de noyaux de condensation. La condensation y est donc assez
efficace et l'humidité relative dépasse rarement 101%.
Si l'altitude atteinte est suffisante, la température de la parcelle d'air devient négative. Les
gouttes d'eau peuvent alors se congeler et des cristaux de glace peuvent se former
directement par déposition sur des noyaux glaçogènes. La congélation des gouttelettes et
la condensation solide de la vapeur d'eau s'accompagnent du dégagement de chaleur
latente qui augmente encore la poussée d'Archimède et permet alors un développement
plus important du nuage. Mais l'atmosphère est souvent pauvre en aérosols glaçogènes.
Dans les nuages convectifs en particulier, avec des courants ascendants rapides, on trouve
de fortes sursaturations par rapport à la glace et des gouttelettes d'eau surfondues à des
niveaux où la température est inférieure à -20 °C. Pour les gouttelettes d'eau pure, la
congélation n'est atteinte qu'à une température de -40 °C (congélation homogène).

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Figure 1.1: Changements de phase
Les caractéristiques du nuage dépendent essentiellement de la stabilité thermique de l'air,
de la température de son sommet et du contenu en aérosols de l'air nuageux.
Dans une atmosphère relativement stable, les nuages sont peu développés et ont tendance
à s'étaler sous forme de voiles (stratus, altostratus, cirrostratus, …). La vitesse ascendante
de l'air nuageux est alors assez faible (quelques cm/s). Dans une atmosphère instable, les
nuages prennent rapidement une forte extension verticale (cumulus, cumulonimbus) avec
des vitesses ascendantes de quelques mètres, voire des dizaines de mètres par seconde.
Suivant la température de leur sommet, les nuages peuvent être composés ou non de
particules de glace (la présence de cristaux de glace donne souvent un aspect fibreux aux
nuages).
Le contenu en aérosols conditionne le nombre et la grosseur des gouttelettes d'eau et des
particules de glace dans le nuage et donc sa stabilité et son aptitude à former des
précipitations. Le nombre et la composition d'aérosols varient fortement dans l'espace et
dans le temps. On trouve principalement des poussières minérales, des produits de
combustion, des sels ou solutions de sels hygroscopiques, ainsi que des bactéries dans des
débris végétaux.
Les noyaux de condensation sont généralement beaucoup plus nombreux au-dessus des
continents qu'au-dessus des mers. Sur les continents, ils sont plus nombreux 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.
2 La formation des précipitations
En l'absence des cristaux de glace, chaque mètre cubique d'air nuageux contient 107 à 109
gouttelettes ayant un diamètre compris entre 10 et 40 microns. Ces gouttelettes