Nuage

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Stratocumulus perlucidus, vu d'un hublot d'avion.

En météorologie, un nuage est une masse visible constituée initialement d'une grande quantité de gouttelettes d’eau (parfois de cristaux de glace associés à des aérosols chimiques ou des minéraux) en suspension dans l’atmosphère au-dessus de la surface d'une planète. 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.

Histoire des représentations des nuages

Le Voyageur contemplant une mer de nuages de Caspar David Friedrich, 1818

L'histoire des représentations des nuages présente les différentes perceptions des nuages au cours des siècles.

La majorité des philosophes de l'Antiquité considèrent que les nuages sont issus des exhalaisons humides que dégagent la mer et les cours d'eau.

Au Moyen Âge, le nuage appelé nue est perçu dans une perspective théologique comme la « nuée mystique », c'est-à-dire le voile de Dieu (allant jusqu'à dévoiler le paradis lors d'un éclair) ou selon une perspective plus naturelle (classification selon les couleurs en nuages noirs apportant la pluie selon la métaphore des nimborum naves, « navires de pluie », nuages lumineux et blancs s'étant vidé de leur eau, éventuellement en nuages rouges de l'aurore et du crépuscule) mais sa nature fait débat. La renaissance du XII^e siècle voit la diffusion des ouvrages d'Aristote, notamment les Météorologiques dans lesquels il décrit les nuages sans parvenir à expliquer pourquoi ces particules restent en suspension dans l'atmosphère : à partir du XIII^e siècle, les scolastiques et les encyclopédistes envisagent alors le nuage non plus simplement comme un objet dans le ciel mais comme une matière faite d'air, d'eau, voire de feu selon la théorie aristotélicienne des Quatre éléments, tel Barthélemy l'Anglais dans son Livre des propriétés des choses.

À la fin du Moyen Âge, la littérature qui a jusque là du mal à saisir le caractère éphémère et mobile du nuage, développe ce thème qui correspond encore plus aux inspirations des siècles suivants (période baroque et romantisme, notamment le Sturm und Drang allemand). Néanmoins, le nuage représenté dans les arts reste essentiellement du domaine du sacré jusqu'au XIX^e siècle (hiérophanie de l'ascension du Christ, visions mystiques). À partir du XIX^e siècle et jusqu'à aujourd'hui, les artistes comme Claude Monet, Olafur Eliasson ou le peintre paysagiste John Constable utilisent les observations scientifiques des nuages (notamment à partir de montées en ballons) dans leurs œuvres.

Avant le XIX^e siècle, les nuages sont donc avant tout des objets esthétiques. Les savants tentent de les décrire subjectivement mais leur nature trop diverse, complexe et leur fugacité est un obstacle à leur catégorisation bien qu'il y ait eu quelques tentatives pour les utiliser dans les prévisions météorologiques. Jean-Baptiste de Lamarck propose en 1802 la première classification scientifique des nuages par une liste de termes descriptifs en français, mais c'est le système de Luke Howard, utilisant le latin universel de la classification binomiale de Carl von Linné, qui connaît le succès dès sa parution en 1803 et dont la terminologie est toujours utilisée aujourd'hui.

Formation des nuages

Article détaillé : Physique 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 microparticules 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 différents 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 troposphérique

Classification des nuages par altitude d'occurrence

Au XIX^e siècle, une classification assez complexe des nuages a été développée. 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, proposé en 1802 par Luke Howard, est repris dans le premier Atlas international des nuages publié en 1896 et dont les nombreuses rééditions reprennent et complètent la terminologie de 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.

Les nuages dans la famille A sont :

• Genre : cirrus
  • Espèces : cirrus castellanus, cirrus spissatus, cirrus fibratus, cirrus floccus, cirrus uncinus ;
  • Variétés : cirrus intortus, cirrus Kelvin-Helmholtz, cirrus duplicatus, cirrus vertebratus, cirrus radiatus.
• Genre : cirrocumulus
  • Espèces : cirrocumulus castellanus, cirrocumulus floccus, cirrocumulus lenticularis, cirrocumulus stratiformis ;
  • Variétés : cirrocumulus lacunosus, cirrocumulus undulatus.
• Genre : cirrostratus
  • Espèces : Cirrostratus fibratus, Cirrostratus nebulosus ;
  • Variétés : cirrostratus duplicatus, cirrostratus undalatus.
• Traînée de condensation : Pas un genre de l'OMM. 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.

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  Cirrus

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  Cirrocumulus

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  Cirrostratus

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  Traînée de condensation

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  Cirrus radiatus

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.

Les nuages dans la famille B sont :

• Genre : altocumulus
  • Espèces : altocumulus castellanus, altocumulus floccus, altocumulus lenticularis, altocumulus stratiformis ;
  • Variétés : altocumulus duplicatus, altocumulus lacunosus, altocumulus opacus, altocumulus perlucidus, altocumulus radiatus, altocumulus translucidus, altocumulus undulatus ;
  • Caractéristiques supplémentaires : altocumulus mamma,altocumulus virga.

• Genre : altostratus
  • Variétés : altostratus duplicatus, altostratus undulatus, altostratus radiatus, altostratus opacus, altostratus translucidus ;
  • Caractéristiques supplémentaires : altostratus mamma, altostratus pannus, altostratus virga, altostratus praecipitatio.

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  Altocumulus

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  Altostratus

Bas (Famille C)

Ce sont des nuages de basses altitudes (jusqu'à 2 000 mètres). Lorsque ces derniers rencontrent la terre, on les appelle brouillard.

Les nuages dans la famille C sont :

• Genre : stratocumulus
  • Espèces : stratocumulus castellanus, stratocumulus lenticularis, stratocumulus stratiformis ;
  • Variétés : stratocumulus duplicatus, stratocumulus lacunosus, stratocumulus opacus, stratocumulus perlucidus, stratocumulus radiatus, stratocumulus translucidus, stratocumulus undulatus ;
  • Caractéristiques supplémentaires : stratocumulus virga, stratocumulus praecipitatio.

• Genre stratus : nuages bas à texture uniforme, souvent accompagnés de brouillard au sol
  • Espèces : stratus fractus, stratus nebulosus ;
  • Variétés : stratus opacus, stratus translucidus, stratus undulatus ;
  • Caractéristique supplémentaire : stratus praecipitatio.

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  Stratocumulus

• 

  Stratus

Moyen développement vertical (Famille D1)

Ce sont des nuages de basses à moyens altitudes (base jusqu'à 3 000 mètres, sommet jusqu'à 6 000 mètres). Le cumulus se forme généralement à basse altitude sauf lorsque l'air fait très sec et alors elle peut se retrouver à l'étage moyen. Le nimbostratus se forme à partir de l'altostratus de altitudes moyennes qui s'épaissit et dont la base s'approche du sol avec les précipitations.

• Genre : cumulus
  • Espèces : cumulus fractus, cumulus humilis, cumulus mediocris ;
  • Variété cumulus radiatus ;
  • Caractéristiques supplémentaires : cumulus arcus, cumulus pannus, cumulus pileus, cumulus praecipitatio, cumulus tuba, cumulus velum, cumulus virga.

• Genre : nimbostratus
  • Caractéristiques supplémentaires : nimbostratus pannus, nimbostratus praecipitatio, nimbostratus virga.

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  Cumulus

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  Nimbostratus avec stratus fractus au-dessous

Grand développement vertical (Famille D2)

Ces nuages peuvent avoir de forts courants verticaux et s'élèvent bien au-dessus de leur base (généralement de basse à moyenne altitude jusqu'à 3 000 mètres) et sommet de plus de 6 000 mètres.

Les nuages dans la famille D2 sont :

• Genre cumulonimbus : nuages convectifs à l'extension verticale maximale, produisant les orages ;
  • Espèces cumulonimbus calvus, cumulonimbus capillatus ;
  • Caractéristiques supplémentaires : cumulonimbus arcus, cumulonimbus incus, cumulonimbus mammatus, cumulonimbus pannus, cumulonimbus pileus, cumulonimbus praecipitatio, cumulonimbus tuba, cumulonimbus velum), cumulonimbus virga.

• Genre cumulus : Espèces cumulus congestus;
  • Variétés et caractéristiques supplémentaires : les mêmes que le genre cumulus de famille D1.

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  Cumulonimbus supercellulaire

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  Orage typiquement estival. Les pileus sur les tours principales témoignent d'une forte ascendance

Ambiguïtés liées au mode de formation des nuages

Article détaillé : Castellanus.

La classification des nuages date du XIX^e siècle et était à l'origine purement visuelle. À cette époque il n'y avait ni sondage, satellite ou planeur. La dernière version de l'Atlas international des nuages date de 1956 et à cette époque, il n'y avait pas de satellite. Depuis, de grands progrès ont été faits et les sondages atmosphériques sont de nos jours publiés sur internet. Ainsi, l'Atlas définit les cumulus comme étant des nuages de l'étage inférieur (i.e. leur base est à moins de 2 km de hauteur) tandis que les altocumulus castellanus sont des nuages de l'étage moyen (i.e. leur base est entre 2 et 5 km). Cette définition fait fi de leur mode de formation et peut provoquer des confusions. En Arizona des cumulus véritables peuvent avoir leur base à 4 km de hauteur tandis que certains altocumulus castellanus peuvent avoir leur base à 2 km voire moins (dans ce cas, ce sont des stratocumulus castellanus). C'est pourquoi des auteurs comme Scorer ou Corfidi plaident pour une définition physique des nuages. Ceci est aussi le cas pour les pilotes de planeur. Le même problème apparaît pour les cumulonimbus.

Au-dessus de la troposphère

Nuages stratosphérique

Nacrés : se développent entre 15 000 et 25 000 mètres.

Nuages mésosphérique

Nuages noctulescents : se développent entre 80 000 et 85 000 mètres.

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.

L’opacité est la visibilité verticale à travers les nuages. Les nuages peuvent être minces et transparents comme les cirrus ou bloquer complètement la lumière.

La nébulosité et l'opacité sont estimées en général par un observateur. Cependant, la nébulosité peut être calculée par la fraction de l'heure où un célomètre enregistre des nuages. De façon alternative, la nébulosité totale peut être estimée par un instrument qui mesure E, l'éclairement sur une surface horizontale, par des estimations de la forme :

$\textstyle N = (1,4286 \frac{E_{diffus}}{E_{global}}-0,3)^{0,5}$

Couleurs des nuages

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 (ISBN 2-86883-610-0) 

Voir aussi

Articles connexes

• Contenu en eau liquide
• pied-de-vent
• Modification du temps :
  • Canon anti-grêle : pour tenter de perturber la formation de grêle au moyen d'ondes de choc ;
  • Ensemencement des nuages : en générant une fumée d'iodure d'argent pour augmenter le nombre de noyaux de condensation disponibles. Ceci aurait pour effet d'augmenter le nombre de grêlons aux dépens de leur taille individuelle ;
• Nuages artificiels.
• Nuage orographique

Liens externes

• Observation de nuages par Environnement Canada
• Vidéo sur la formation des nuages
• Pourquoi les nuages ne tombent-ils pas? explication sur CultureSciences-Physique
• Les différents types de nuages par Météo-France
• Wolken-atlas = Atlas des nuages = Cloud-atlas = Moln-atlas, à la bibliothèque de la météorologie nationale. L'ouvrage, datant de 1890, se compose d'un texte traduit en quatre langues (allemand, français, anglais, suédois) suivi de 10 grandes planches dessinées (une par genre de nuage), puis de deux grandes planches composées chacune de six petites photographies.