Nuage

Nuage

  Un nuage est une suspension visible de minuscules particules d'eau ou de GLACE dans l'atmosphère. Le diamètre de ces particules varie de un à quelques centaines de micromètres. Les nuages se forment quand l'air humide se refroidit jusqu'à son point de saturation. Le refroidissement de la masse d'air peut être causé par son expansion, inhérente à toute ascension verticale, par l'émission de rayons infrarouges ou par son contact avec une masse d'air froid. Au Canada, la couverture nuageuse mensuelle moyenne (la portion du ciel occupée par les nuages) varie de 0,5 dans les Prairies à 0,8 (ou plus) sur les côtes est et ouest, en hiver.

 En 1803, Luke Howard, un pharmacien britannique, établit la première classification des nuages en utilisant une terminologie descriptive en latin. Cette classification est encore utilisée de nos jours, puisqu'elle a été adoptée et adaptée par l'Organisation météorologique mondiale. On baptise un nuage en fonction de son mouvement vertical, de sa composition et de son altitude ou de sa température. On en distingue deux variétés principales suivant le mouvement de la masse d'air. Les nuages en amas (famille des cumulus) résultent d'un mouvement local de convection (brassage rapide) dans une atmosphère instable. Les nuages en nappe (famille des stratus) résultent d'un soulèvement lent et étendu de la masse d'air. Les nimbus sont des nuages porteurs de pluie. Les cirrus sont composés de cristaux de glace et sont situés à très haute altitude. Le BROUILLARD est un nuage qui se forme près du sol. Les altus sont des nuages de l'étage moyen, c'est-à-dire situés entre 2 et 7 km au-dessus du sol. Qu'ils soient employés seuls, avec un adjectif ou associés entre eux, les termes stratus, cumulus, cirrus, nimbus et altus sont utilisés pour décrire et nommer les quelque 100 types de nuages qui ont reçu un nom.

Formation et comportement

 Les gouttelettes des nuages se forment sur des particules hygroscopiques (qui absorbent l'humidité) appelées noyaux de condensation de nuages. Le diamètre de ces particules mesure entre 0,1 et 1,0 micron. La concentration en gouttelettes peut atteindre 1000/cm³ et la concentration en eau liquide se situe habituellement entre 0,1 et 10 g/m³ d'air. Les gouttelettes tombent dans l'air à une vitesse d'à peine quelques millimètres par seconde. Elles sont en effet facilement retenues par les courants d'air ascendants, dont la vitesse est de quelques centimètres à quelques mètres par seconde. C'est ce phénomène qui donne l'impression que les nuages flottent dans les airs.

 Les petites gouttelettes grossissent surtout par condensation de la vapeur d'eau présente dans le nuage. Les plus grosses continuent d'augmenter de volume par collision et par coalescence. Dans les nuages sans glace, généralement ceux dont la température est supérieure à -10 ou à -15°C, la PLUIE n'apparaît que si la collision et la coalescence permettent la formation de gouttes de pluie d'un diamètre de 1 mm environ avant que le nuage ne s'évapore à la suite d'un réchauffement ou d'une dispersion dans l'atmosphère. Ce phénomène correspond au processus de formation de la pluie chaude. La coalescence de millions de gouttelettes est nécessaire à la formation d'une goutte de pluie. La vitesse de chute d'une goutte de pluie est de 4 m/s lorsque son diamètre est de 1 mm de diamètre, et elle atteint 9 m/s lorsque le diamètre est de 5 mm. Contrairement à la croyance populaire, puisque les gouttelettes sont aplaties par la pression aérodynamique, elles ne sont pas en forme de larme, mais sont plutôt rondes et plates. Les gouttelettes des nuages ne gèlent pas à 0°C comme le fait l'eau d'un étang ou d'un lac. Étant petites et pures, elles demeurent en surfusion jusqu'à des températures bien plus basses que 0°C avant de geler.

Dans les nuages qui montent à des altitudes où règnent des températures inférieures à -15°C, de minuscules noyaux de glace amorcent la congélation d'une partie des gouttelettes en surfusion. Ainsi, de nombreux nuages situés à moyenne altitude se composent de gouttelettes d'eau surfondues et de cristaux de glace. Dans ces nuages, les cristaux de glace grossissent rapidement par condensation tandis que s'évaporent les gouttelettes voisines non gelées. Les cristaux de glace peuvent alors se rassembler pour former des flocons de neige ou agglutiner les gouttelettes en surfusion pendant leur chute pour devenir de la « neige roulée ». Selon la saison et la vigueur du nuage, les flocons et les grains de neige roulée peuvent arriver au sol intacts, fondre et tomber en pluie ou continuer à grossir et devenir des grêlons (voir GRÊLE). On pense que ce processus de formation de la pluie en milieu froid (ou processus de pluie froide) prédomine au Canada.

La modification du temps consiste à essayer de provoquer le processus de pluie froide en injectant dans les nuages pauvres en cristaux de glace des grains de glace carbonique ou des particules d'iodure d'argent, qui agissent comme des noyaux de condensation de glace (voir PLUIE, PROVOCATION ARTIFICIELLE DE LA). Dans les nuages chauds, on injecte plutôt des particules hygroscopiques (p. ex. du sel de mer) afin de provoquer la pluie.

Vus d'un satellite et quel que soit leur type, les nuages s'organisent en bandes, en amas ou en tourbillons, reflétant ainsi le mouvement à grande échelle de l'atmosphère. Les images SATELLITES, qui montrent l'organisation des nuages, sont très utiles dans le domaine des PRÉVISIONS MÉTÉOROLOGIQUES.

Principaux types de nuages

Cumulus
Les cumulus se forment généralement au cours des après-midi ensoleillées de printemps ou d'été. Ils sont généralement grands, avec une base plate et un sommet arrondi. On dit souvent d'eux qu'ils ressemblent à des choux-fleurs ou à des grains de maïs soufflé. Une fois que le soleil a réchauffé le sol et provoqué l'évaporation de l'eau à sa surface (ce phénomène peut être particulièrement intense dans les champs récemment labourés), l'air près du sol devient chaud et humide. Il est donc plus léger que l'air des alentours et commence alors à s'élever. Ces « bulles » d'air invisibles en ascension sont les « thermiques » qu'utilisent les oiseaux et les pilotes de planeurs pour gagner de l'altitude (voir OISEAUX, VOL DES; VOL À VOILE).

Lors de son ascension, le thermique se détend et se refroidit jusqu'à ce qu'il atteigne son niveau de saturation. À ce stade, la vapeur d'eau invisible se condense spontanément pour former les gouttelettes visibles qui constituent la base du cumulus. La libération de chaleur latente durant la condensation confère une énergie supplémentaire à la masse nuageuse, dont le mouvement ascendant se trouve accéléré jusqu'à des vitesses atteignant plusieurs mètres par seconde. Éventuellement, le cumulus en ascension entre dans une couche d'air plus chaud, où il est plus lourd que son environnement. Le courant ascensionnel se ralentit alors pour s'arrêter complètement plusieurs kilomètres au-dessus de sa base. Le processus complet prend une trentaine de minutes. Le cumulus aura alors produit une averse de pluie ou une chute de neige. Plus tard, il peut disparaître sans laisser de traces en se diluant dans l'air sec environnant, qui favorise l'évaporation de ses gouttelettes.

Rôle des nuages

Les nuages produisent des précipitations et jouent ainsi un rôle important dans le cycle hydrologique de la Terre. Les nuages ont aussi d'autres fonctions importantes. Puisqu'ils réfléchissent la radiation solaire, ils permettent de maintenir la température de l'atmosphère plus froide qu'elle ne le serait sans nuage. De plus, puisqu'ils absorbent une bonne partie du rayonnement infrarouge émis par le sol et qu'ils en réémettent une partie vers la surface, les nuages contribuent à l'effet de serre de l'atmosphère, qui se traduit par le réchauffement de la surface de la Terre (voir aussi RÉCHAUFFEMENT PLANÉTAIRE). On pense aujourd'hui que ces deux effets thermiques des nuages se combinent à l'échelle planétaire et engendrent un léger refroidissement du système climatique. La formation d'un cumulus joue un rôle important dans le brassage vertical de la chaleur et de l'humidité. Ce brassage est responsable de la diminution de la température avec l'altitude dans la basse atmosphère, à un taux qui se situe entre 6 et 10°C/km. Les nuages sont d'importants réacteurs de la chimie atmosphérique. La formation des nuages, ainsi que les précipitations, aident à nettoyer l'atmosphère de la POLLUTION.

Les scientifiques ont mis au point des logiciels, appelés modèles numériques de nuages, utilisés pour simuler et visualiser la croissance et le développement des nuages, ainsi que bon nombre de leurs caractéristiques. Ces modèles sont exploités sur des superordinateurs. Ils peuvent être testés en les comparant aux mesures prises à bord d'avions volant à travers les nuages et équipés d'instruments conçus pour compter et mesurer les noyaux de condensation, les noyaux de glace, les gouttelettes, les cristaux de glace, les gouttes d'eau, les flocons de neige et les grêlons. On étudie aussi à distance les nuages et leurs précipitations à l'aide des satellites de TÉLÉDÉTECTION et des RADARS météorologiques.

Albédo

Les nuages, composés d'un grand nombre de minuscules particules d'eau, sont de bons disperseurs de la lumière solaire. On dit que leur albédo est élevé. Les gouttelettes d'un petit cumulus occupent une surface totale avoisinant 1000 km². Ainsi, même un petit nuage réfléchit au moins 90 p. 100 de la lumière solaire qui le frappe. C'est ce qui le fait paraître d'un blanc éclatant vu de dessus ou de côté. Vu de dessous, les nuages semblent foncés, car la plus grande partie de la lumière solaire qui les pénètre est renvoyée dans l'espace par dispersion ou absorbée par les gouttelettes.

Cumulo-nimbus

L'air particulièrement chaud et humide retenu près du sol par une couche d'air sec et froid provoque des conditions atmosphériques très instables. Sous ces conditions, le cumulus peut devenir très puissant et être le site de courants ascensionnels atteignant plusieurs dizaines de mètres par seconde et montant à plus de 10 km d'altitude dans l'atmosphère. La croissance du nuage ne s'arrête que lorsqu'il atteint la stratosphère, où l'air est très stable. On appelle ces cumulus des cumulo-nimbus. Ils sont généralement accompagnés de fortes pluies, d'éclairs (voir FOUDRE) et de grêle. On les trouve souvent en groupes ou en lignes qui s'étendent horizontalement sur plus de 100 km.

Leur forme en enclume permet de reconnaître facilement les cumulo-nimbus à distance. Le dessus de l'enclume est un immense nuage de cristaux de glace aplati par le contact avec la stratosphère et entraîné par les vents de haute altitude. Cette partie du nuage constitue le « tuyau d'échappement » du cumulo-nimbus. Lorsqu'il entre en rotation, seul ou en groupe, il peut provoquer une TORNADE. En plus de cette rotation, l'autre signe précurseur de la formation d'une tornade est un pan de nuage vertical, soit lisse et étagé soit déchiqueté, qui se forme sous la base généralement plate du cumulo-nimbus. Juste avant que la tornade ne touche le sol, on peut voir descendre un nuage en forme d'entonnoir.

Altocumulus

Malgré leur nom, les altocumulus ne ressemblent pas du tout aux cumulus ordinaires. Ils ont une apparence cotonneuse comme les jeunes cumulus et sont généralement composés de gouttelettes d'eau plutôt que de cristaux de glace. Toutefois, ils ne se développent généralement pas en hauteur et produisent donc rarement des précipitations. Si c'est le cas, elles s'évaporent généralement avant de toucher le sol. Ils ne sont pas formés à partir d'air qui monte de la surface, mais plutôt à partir des couches d'air instables et humides situées en altitude et qui peuvent provenir de l'évaporation d'un cumulo-nimbus. Par convention, on dit qu'ils se trouvent à une distance qui varie de 2 à 7 km au-dessus du sol.

Les altocumulus forment une couche d'à peine un kilomètre d'épaisseur. Cette couche nuageuse devient instable quand sa base est chauffée par l'absorption du rayonnement infrarouge émis par un sol chaud et que sa partie supérieure est refroidie par évaporation et par émission de radiations infrarouges vers l'espace. Cela provoque des brassages dans la couche et donne naissance à un motif moutonné constitué de petits nuages. S'il y a un cisaillement du vent à travers la couche, c'est-à-dire un vent plus fort au-dessus qu'en dessous, ces petits nuages forment des arêtes de poisson nuageuses séparées par du ciel clair. Les altocumulus formant des couches minces, qui ne bloquent pas beaucoup les rayons du soleil. Cependant, une partie du rayonnement infrarouge émis par le sol qu'ils absorbent est réémise vers le bas, ce qui empêche le sol de se refroidir trop rapidement la nuit.

Cirrus

Les cirrus sont les nuages les plus hauts et les plus froids. Ils sont entièrement constitués de cristaux de glace. À distance, les cristaux de glace du cirrus lui donnent une apparence fibreuse et duveteuse, comme des cheveux (Cirrus signifie boucle de cheveux.). Leurs cristaux de glace sont minuscules, tombent lentement (quelques dizaines de centimètres par seconde) et ne se subliment pas vite. Par conséquent, le cirrus ne se modifie que lentement et persiste pendant de longues heures. Le cirrus se manifeste fréquemment à proximité des courants-jet subtropicaux, de larges courants d'air qui se déplacent rapidement à une altitude d'environ 10 km, et qui peuvent atteindre des vitesses de 250 km/h. Quand les cristaux de glace du cirrus tombent dans les lents courants d'air situés en dessous du courant-jet, ils tirent derrière eux le nuage-origine. Ils forment alors de longs filaments appelés « queue-de-chat ». Les cirrus sont probablement parmi les plus beaux nuages, car les cristaux de glace qui les composent produisent souvent des halos colorés, des faux soleils, des arcs et d'autres effets optiques. Ces phénomènes sont causés par la réfraction de la lumière sur les cristaux de glace, qui agissent comme des prismes. Un voile de cirrus (cirro-stratus) peut être un signe de mauvais temps, puisqu'il apparaît souvent juste avant les nuages bas qui donnent des précipitations.