Physique des nuages - Définition et Explications

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Introduction

Altocumulus avec virga

La physique des nuages est l’étude des processus physiques et dynamiques de formation des nuages et des précipitations qui les accompagnent. Les nuages chauds sont formés de microscopiques gouttelettes et les froids de cristaux de glace (La glace est de l'eau à l'état solide.) ou parfois des deux types. Leur formation est contrôlée par la disponibilité (La disponibilité d'un équipement ou d'un système est une mesure de performance qu'on obtient en divisant la durée durant laquelle ledit équipement ou système est opérationnel par...) de vapeur () d'eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les organismes vivants connus.) dans l’air et des mouvements verticaux dans celui-ci.

Le mouvement vertical (Le vertical (rare), ou style vertical, est un style d’écriture musicale consistant en accords plaqués.) peut être induit (L'induit est un organe généralement électromagnétique utilisé en électrotechnique chargé de recevoir l'induction de l'inducteur et de la transformer en électricité (générateur) ou en force (moteur).) par une ascendance à grande échelle (La grande échelle, aussi appelée échelle aérienne ou auto échelle, est un véhicule utilisé par les sapeurs-pompiers, et qui emporte une échelle escamotable de grande hauteur. Le terme « grande...), comme dans le cas des dépressions synoptiques, ou à méso-échelle comme dans le cas des orages. La physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens général et ancien, la physique...) qui contrôle (Le mot contrôle peut avoir plusieurs sens. Il peut être employé comme synonyme d'examen, de vérification et de maîtrise.) ces processus se passe à l’échelle microscopique. Elle est gouvernée par les lois de la mécanique des fluides (La mécanique des fluides est la branche de la physique qui étudie les écoulements de fluides c'est-à-dire des liquides et des gaz lorsque ceux-ci subissent des forces ou des contraintes. Elle est actuellement étendue à des...) et la loi de Raoult qui régit la pression de vapeur (La pression de vapeur est la pression partielle de la vapeur d'un corps présent également sous forme liquide ou solide.) autour (Autour est le nom que la nomenclature aviaire en langue française (mise à jour) donne à 31 espèces d'oiseaux qui, soit appartiennent au genre Accipiter, soit constituent les 5 genres...) du noyau de condensation (La condensation est le nom donné au phénomène physique de changement d'état de la matière qui passe d'un état dilué (gaz) à un état condensé (solide ou liquide). On peut expérimenter ce...). La physique des nuages (La physique des nuages est l’étude des processus physiques et dynamiques de formation des nuages et des précipitations qui les accompagnent. Les nuages chauds sont formés de...) est toujours un sujet de recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances...) qui bénéficie de nombreux nouveaux instruments depuis les années 1960, en particulier le radar météorologique (Un radar météorologique est un type de radar utilisé en météorologie pour repérer les précipitations, calculer leur déplacement et...), les satellites (Satellite peut faire référence à :) météorologiques et les disdromètres.

Histoire

L’étude de la physique des nuages commence vraiment au XIXe siècle mais Otto von Guericke émet l’hypothèse que les nuages sont composés de bulles d’eau dès le XVIIe siècle. La mesure des flocons de neige (La neige est une forme de précipitation, constituée de glace cristallisée et agglomérée en flocons pouvant être ramifiés d'une...) remonte cependant à beaucoup plus longtemps, ayant été décrite dans un ouvrage chinois de 1358 avant J.-C.. En 1846, Agustus Waller utilise une toile d'araignée pour capturer ces bulles dans le brouillard (Le brouillard est le phénomène météorologique constitué d’un amas de fines gouttelettes ou de fins cristaux de glace, accompagné de...) mais il découvre qu'elles n'explosent pas au contact de la toile, formant (Dans l'intonation, les changements de fréquence fondamentale sont perçus comme des variations de hauteur : plus la fréquence est élevée, plus la hauteur perçue est haute et inversement. Chaque voyelle se caractérise par son...) plutôt des gouttes. Le travail est poursuivi par William Henry Dines en 1880 et Richard Assmann en 1884 lorsqu'ils étudient au microscope les gouttes.

Dines et d'autres ont alors commencé à étudier la distribution de grosseur de ces gouttes, ou granulométrie. Par exemple, en 1895, le physicien (Un physicien est un scientifique qui étudie le champ de la physique, c'est-à-dire la science analysant les constituants fondamentaux de l'univers et...) Weisner utilisa un papier-filtre couvert de colorant (Un colorant est une substance utilisée pour apporter une couleur à un objet à teinter.) soluble dans l'eau qu'il mettait sous la pluie (La pluie désigne généralement une précipitation d'eau à l'état liquide tombant de nuages vers le sol. Il s'agit d'un hydrométéore...). Les gouttes tombant sur le colorant donnaient une mesure de leur diamètre (Dans un cercle ou une sphère, le diamètre est un segment de droite passant par le centre et limité par les points du cercle ou de la sphère. Le diamètre est aussi la longueur...). Malgré le développement des aérostats au XVIIe siècle les premières mesures scientifiques de l'atmosphère (Le mot atmosphère peut avoir plusieurs significations :) portaient sur la température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et étudiée en thermométrie. Dans la vie courante, elle est reliée aux sensations...), la pression (La pression est une notion physique fondamentale. On peut la voir comme une force rapportée à la surface sur laquelle elle s'applique.) et le contenu en vapeur d'eau mais ignoraient les nuages. Ce n'est qu'à fin du XIXe siècle que les premières données (Dans les technologies de l'information (TI), une donnée est une description élémentaire, souvent codée, d'une chose, d'une transaction d'affaire, d'un événement, etc.) de la structure des nuages ont été faites in situ.

La première expérience en laboratoire dans une chambre hyperbare rudimentaire a été faite par Coulier en 1875. Il montra que lorsqu'on diminue la pression et que la température diminue, la vapeur d'eau condense mieux si des poussières sont présentes dans la chambre. Son expérience a été reprise par Aitken et Wilson a montré qu'une certaine sursaturation devait être atteinte pour avoir condensation. Les chercheurs se concentrèrent sur le type de noyau de condensation ayant les meilleures caractéristiques et trouvèrent que le chlorure de sodium (Le chlorure de sodium est un composé chimique de formule NaCl. On l'appelle plus communément sel de table ou de cuisine, ou tout simplement sel dans le langage courant. C'est le principal produit dissout dans l'eau de...), le sel de mer (Le terme de mer recouvre plusieurs réalités.), était l'un des plus communs trouvés dans les gouttes de nuages et de pluie.

La condensation n'est pas le seul facteur entrant dans la formation des gouttelettes de nuages, le second est la collision (Une collision est un choc direct entre deux objets. Un tel impact transmet une partie de l'énergie et de l'impulsion de l'un des corps au second.) entre ces gouttes. Les observations (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les modifier, à l’aide de moyens d’enquête et d’étude appropriés. Le...) des grêlons a depuis longtemps permis de supposer qu'ils étaient formés en partie par des collisions car ils ont souvent la forme d'un amalgame de grêlons. Descartes avait suggéré dès 1637 que le vent (Le vent est le mouvement d’une atmosphère, masse de gaz située à la surface d'une planète. Les vents les plus violents connus ont lieu sur Neptune et sur Saturne. Il est essentiel à tous les...) pouvait être à l'origine de collisions de grêlons pour en former de plus gros. La même notion fut suggérée pour les gouttelettes de pluie. En 1904, une expérience a été faite par Leonard qui démontra que les gouttes peuvent effectivement augmenter de volume (Le volume, en sciences physiques ou mathématiques, est une grandeur qui mesure l'extension d'un objet ou d'une partie de l'espace.) ainsi mais que ce ne sont pas toutes les collisions qui réussissent, cela dépend de la charge (La charge utile (payload en anglais ; la charge payante) représente ce qui est effectivement transporté par un moyen de transport donné, et qui donne lieu à un paiement ou un bénéfice...) des gouttes et de l'air (L'air est le mélange de gaz constituant l'atmosphère de la Terre. Il est inodore et incolore. Du fait de la diminution de la pression de l'air avec l'altitude, il est nécessaire de pressuriser les cabines des...) qu'elles peuvent contenir. Il confirma les hypothèses émises antérieurement qui prédisaient que les gouttes ainsi obtenues ne pouvaient dépasser environ 6 mm de diamètre car leur forme devient trop instable par rapport au courant d'air qui affectent leur mouvement. Ce processus a été cependant longtemps sous-estimé car la plupart des études dans les latitudes moyennes ont porté sur la formation des cristaux de glace et l'effet Bergeron.

Le développement de l'aviation (L'aviation est une activité aérienne définie par l'ensemble des acteurs, technologies et règlements qui permettent d'utiliser un aéronef...) au XXe siècle a permis de prendre des observations de plus en plus nombreuses. Non seulement les scientifiques peuvent faire des expériences in situ mais les pilotes commerciaux, militaires et de plaisance peuvent signaler les effets du passage de leur aéronef (Un aéronef est un moyen de transport capable d'évoluer au sein de l'atmosphère terrestre. On distingue deux catégories d'aéronefs : l'aérostat et l'aérodyne. L'utilisation de ces appareils est...) dans les nuages. À partir de 1940, les vols ont été de plus en plus en haute atmosphère et se sont multipliés. L'introduction du radar (Le radar est un système qui utilise les ondes radio pour détecter et déterminer la distance et/ou la vitesse d'objets tels que les avions, bateaux, ou encore la pluie. Un émetteur...) à la même époque a permis de mieux sonder les différentes couches des nuages. Depuis cette époque, les expériences et les nouveaux instruments ont permis de raffiner les théories. Ils ont également mené à des études sur la modification du temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.).

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