Stratocumulus perlucidus, vu d'une fenêtre d'avion.
Un nuage est une grande quantité de gouttelettes d’eau (ou de cristaux de glace) en suspension dans l’atmosphère. L’aspect d'un nuage dépend de la lumière qu’il reçoit, de la nature, de la dimension, du nombre et de la répartition des particules qui le constituent. Les gouttelettes d’eau d’un nuage proviennent de la condensation de la vapeur d’eau contenue dans l’air. La quantité maximale de vapeur d’eau (gaz invisible) qui peut être contenue dans une masse d'air est fonction de la température : plus l’air est chaud, plus il peut contenir de vapeur d’eau (Voir Pression de vapeur saturante et Formule de Clapeyron).
On parle aussi de nuages de fumées et de nuages de poussière, par analogie avec les formes que prennent les nuages atmosphériques (amas, filaments, volutes). Toujours par analogie, on parle de nuages de sauterelles (déplacement de grands nombres de criquets) et de nuages de points (regroupement de points sur des diagrammes mathématiques).
Formation des nuages
Un nuage en formation.
Épaisseurs des nuages en avril 2001
La formation de nuages résulte du refroidissement d’un volume d’air jusqu’à la condensation d’une partie de sa vapeur d’eau. Si le processus de refroidissement se produit au sol (par contact avec une surface froide, par exemple), on assiste à la formation de brouillard. Dans l’atmosphère libre, le refroidissement se produit généralement par soulèvement, en vertu du comportement des gaz parfaits dans une atmosphère hydrostatique, selon lequel un gaz se refroidit spontanément lorsque la pression baisse. Inversement, la dissipation des nuages se produit lorsqu’un réchauffement permet aux gouttelettes ou aux cristaux de glace de s’évaporer. Les nuages peuvent aussi perdre une partie de leur masse sous forme de précipitations, par exemple sous forme de pluie, grêle ou neige.
La condensation de la vapeur d’eau, en eau liquide ou en glace, se produit initialement autour de certains types de micro-particules de matière solide (aérosols), qu’on appelle des noyaux de condensation ou de congélation. La congélation spontanée de l’eau liquide en glace, dans une atmosphère très pure, ne se produit pas au-dessus de -40 °C. Entre 0 et -40 °C, les gouttes d’eau restent dans un état métastable (surfusion), qui cesse dès qu’elles rentrent en contact avec un noyau de condensation (poussière, cristal de glace, obstacle). Lorsque ce phénomène se produit au sol, on assiste à des brouillards givrants.
Juste après la condensation ou la congélation, les particules sont encore très petites. Pour des particules de cette taille, les collisions et l’agrégation ne peuvent pas être les facteurs principaux de croissance. Il se produit plutôt un phénomène connu sous le nom de « effet Bergeron ». Ce mécanisme repose sur le fait que la pression partielle de saturation de la glace est inférieure à celle de l’eau liquide. Ceci signifie que, dans un milieu où coexistent des cristaux de glace et des gouttelettes d’eau surfondue, la vapeur d’eau ambiante se condensera en glace sur les cristaux de glace déjà existants, et que les gouttelettes d’eau s’évaporeront d’autant. On voit ainsi que le soulèvement est doublement important dans la formation de nuages et de précipitation : en premier lieu comme mécanisme de refroidissement, et ensuite comme porteur de gouttelettes d’eau liquide jusqu’au niveau où elles deviennent surfondues.
Le soulèvement peut être dû à la convection, à la présence de terrains montagneux faisant obstacle à l’écoulement de l’air ou à des facteurs de la dynamique atmosphérique, comme les ondes baroclines (aussi appelées « ondes frontales »).
Types de nuages
Les nuages se forment selon deux processus : la convection et le soulèvement progressif de la masse d'air.
Le soulèvement convectif est dû à l'instabilité de l'air. Il est souvent vigoureux et au déclenchement abrupt. Il produit des nuages caractérisés par une extension verticale élevée, mais une extension horizontale limitée. Ces nuages sont désignés génériquement par le terme cumulus. Ils peuvent se développer à différent niveaux de la troposphère, là où l'instabilité existe.
Le soulèvement dit synoptique est le résultat des processus de la dynamique en atmosphère stable, dans un écoulement stratifié. Ce soulèvement est graduel, produisant des systèmes nuageux d'une texture uniforme, pouvant couvrir des milliers de kilomètres carrés. Ces nuages sont désignés génériquement par le terme stratus. Il arrive parfois que ce soulèvement graduel déstabilise la couche atmosphérique, donnant lieu à des nuages convectifs imbriqués dans le nuage stratiforme.
Classification
Classification des nuages par altitude d'occurrence
Au XIX siècle, une classification assez complexe des nuages a étédéveloppée. Elle était basée sur leur apparence et faisait usage de termes en latin. Cette nomenclature a été simplifiée en répartissant les nuages selon les deux types de nuages, cumulus et stratus, et en les divisant en quatre groupes selon la hauteur de leur base, non l'altitude de la cime.
Les nuages élevés commencent par le préfixe cirrus, auquel on ajoute le «genre» cumulus ou stratus. Les nuages d'altitude moyenne ont comme préfixe altus mais il n'existe pas de préfixe pour les nuages bas. Finalement, il y a les nuages à développement vertical. À ces classes générales, peuvent s'ajouter une «espèce» qui en décrit l'aspect. Ce système a été proposé en 1802 par Luke Howard.
Nuages élevés (Famille A)
Ils se forment au-dessus de 5 000 mètres dans la région froide de la troposphère. Ils sont classés en utilisant le préfixe cirro- ou cirrus. À cette altitude, l'eau gèle quasiment toujours : les nuages sont donc composés de cristaux de glace.
Traînée de condensation : Long et fin nuage formé après le passage d'un avion à haute altitude (appelé contrail en anglais). Il peut persister de quelques minutes à plusieurs heures selon la stabilité et l'humidité relative à la hauteur de production.
Cirrus
Cirrocumulus
Nuages moyens (Famille B)
Ils se développent entre 2 000 et 5 000 mètres et sont classés en utilisant le préfixe alto-. Ils sont formés de gouttelettes d'eau.
Ce sont des nuages de basses altitudes (jusqu'à 2 000 mètres) qui incluent les stratus. Lorsque ces derniers rencontrent la terre, on les appelle brouillard.
stratus : nuages bas à texture uniforme, souvent accompagnés de brouillard au sol : stratus fractus, stratus lenticularis, stratus nebulosus, stratus opacus, stratus praecipitatio, stratus translucidus, stratus undulatus
Orage typiquement estival. Les pilus sur les tours principales témoignent d'une forte ascendance
Nimbostratus
Autres types
Quelques nuages peuvent être rencontrés dans la troposphère, stratosphère et mésosphère, comme les nuages noctulescents.
Nébulosité et opacité
Nuages colorés par le coucher de Soleil
Dans les rapports météorologiques, les METAR, la nébulosité et l'opacité des nuages sont signalés :
La nébulosité, ou couverture nuageuse, est la fraction du ciel couverte par les nuages d'un certain genre, d'une certaine espèce, d'une certaine variété, d'une certaine couche, ou d'une certaine combinaison de nuages. La nébulosité totale est la fraction du ciel cachée par l'ensemble des nuages visibles. Les deux se mesurent en octas, soit le un huitième de la voûte céleste, ou en dixième ;
Panorama de stratocumulus avec mamma en formation.
La diffusion de la lumière par les gouttelettes des nuages selon la théorie de Mie se fait surtout vers la direction d'où vient la lumière et dans la direction où elle va. Ainsi, la blancheur des nuages est maximale lorsque l'observateur dirige son regard dans un axe aligné avec le soleil, soit dans le dos ou devant lui. À tout autre angle, il reçoit seulement une fraction de la luminosité.
La dispersion de la lumière à travers les cristaux de glace des cirrostratus, obéit quant à elle à la diffusion de Rayleigh qui est isotrope selon l'angle mais dépend de la longueur d'onde. C'est pourquoi on voit souvent des halos circulaires autour du soleil lorsque ce type de nuage s'interpose.
Bibliographie
Jean-Pierre Chalon, Combien pèse un nuage? ou pourquoi les nuages ne tombent pas, EDP Science
