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.
(Voir les articles Pression de vapeur saturante et Formule de Clapeyron)

Histoire des représentations des nuages[modifier | modifier le code]

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[1].

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[2] 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[3]. La renaissance du XIIe 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[4] : à partir du XIIIe 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[5].

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)[6]. Néanmoins, le nuage représenté dans les arts reste essentiellement du domaine du sacré jusqu'au XIXe siècle (hiérophanie de l'ascension du Christ, visions mystiques)[7]. À partir du XIXe siècle et jusqu'à aujourd'hui, les artistes comme Claude Monet, John Constable ou Olafur Eliasson utilisent les observations scientifiques des nuages (notamment à partir de montées en ballons) dans leurs œuvres[8].

Avant le XIXe 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[9] par une liste de termes descriptifs[10] 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[11]. En 1855, Émilien Renou proposa l’ajout des genres Altocumulus et Altostratus. En septembre 1896, cette version élargie de la classification originelle de Howard fut officiellement adoptée et publiée dans le premier Atlas international des nuages de 1896. L’édition actuelle publiée par l’Organisation météorologique mondiale date de 1956 pour le volume I et de 1987 pour le volume II. C’est elle qui fait foi dans les différents services météorologiques nationaux.


Formation des nuages[modifier | modifier le code]

Article détaillé : Physique des nuages.
Un nuage d'orage en formation.
Épaisseur optique 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. 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 »).

Dissipation des nuages[modifier | modifier le code]

La dissipation des nuages à l'inverse de leur formation se produit lorsque l'air environnant subit un réchauffement et donc un assèchement relatif de son contenu en vapeur d'eau puisqu'un air chaud peut contenir plus de vapeur d'eau qu'un air froid. Ce processus est favorable à l'évaporation, ce qui dissipe les nuages. Le réchauffement de l'air environnant est souvent causé par une subsidence de l'air qui entraîne une compression adiabatique de celui-ci.

Types de nuages[modifier | modifier le code]

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[modifier | modifier le code]

Classification des nuages par altitude d'occurrence

Les nuages dans l'Atlas international des nuages sont classés en 10 genres[12] :

  • 3 genres «principaux» : Cirrus (nuages élevés), Stratus (nuages bas à développement horizontal), et Cumulus (nuages bas à développement vertical) avec d'autres types dérivés ;
  • 3 genres intermédiaires des 3 précédents : Cirrostratus, Cirrocumulus et Stratocumulus
  • 4 genres dérivés des Cumulus et Stratus : Altocumulus et Altostratus pour les nuages dont la base est à plus de 2 km d’altitude, et de Cumulonimbus et Nimbostratus pour les nuages capables de donner de fortes précipitations[13].

Pour les types de nuages sans développement vertical important, cette nomenclature a été organisée selon la hauteur de leur base au-dessus du sol, non l'altitude de leur sommet, en quatre familles qui sont décrites ci-dessous.

Nuages élevés (Famille A)[modifier | modifier le code]

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 :

Moyens (Famille B)[modifier | modifier le code]

Ils se développent entre 2 000 et 7 000 mètres (dans les régions tempérées) et sont classés en utilisant le préfixe alto-. Ils sont formés de gouttelettes d'eau.

Les nuages dans la famille B sont :

Bas (Famille C)[modifier | modifier le code]

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 :

Moyen développement vertical (Famille D1)[modifier | modifier le code]

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.

Grand développement vertical (Famille D2)[modifier | modifier le code]

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

Ambiguïtés liées au mode de formation des nuages[modifier | modifier le code]

Article détaillé : Castellanus.

La classification des nuages date du XIXe siècle et était à l'origine purement visuelle. À cette époque il n'y avait ni radiosondage, satellite ou planeur. Depuis, de grands progrès ont été faits et à titre d'exemple les sondages atmosphériques (définissant la physique des nuages) sont de nos jours monnaie courante et aisément accessibles sur Internet, affichés sous forme de SkewTs, téphigrammes ou émagrammes.

La dernière version de l'Atlas international des nuages date de 1975 pour le premier volume et de 1982 pour le second mais contient le même classement[16],[17]. 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. Par exemple, en Arizona les cumulus formés par le réchauffement diurne peuvent avoir leur base à 4 km de hauteur à cause de l'air très sec en surface 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[18] ou Corfidi[19] plaident pour une définition physique des nuages. Ceci est aussi le cas pour les pilotes de planeur. Le même problème apparaît pour les cumulonimbus.

En 1976, la National Aeronautics and Space Administration américaine a d'ailleurs publié son propre classement qui place la structure physique à l'avant de la plage d'altitude pour les critères de définition des classes. Cinq familles ou catégories ont été identifiées; Cirriforme, cumuliforme, stratiforme, stratocumuliforme, et cumulonimbiforme[20].

Au-dessus de la troposphère[modifier | modifier le code]

Nuages stratosphériques[modifier | modifier le code]

Nuages nacrés : se développent entre 15 et 25 kilomètres.

Nuages mésosphériques[modifier | modifier le code]

Nuages noctulescents : se développent entre 80 et 85 kilomètres.

Nébulosité et opacité[modifier | modifier le code]

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[21]. 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, utilisant parfois des lunettes d'obscurité pour éviter les reflets. 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[22] :

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

Couleurs des nuages[modifier | modifier le code]

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, c'est la luminance du nuage[23]. Cette lumière provient, pour la plus grande part, directement de l'astre éclairant ou du ciel, mais une part appréciable peut provenir également de la surface terrestre. 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.

Nuages extraterrestres[modifier | modifier le code]

Jupiter et sa couche nuageuse externe
Article détaillé : Atmosphère.

La Terre n'est pas le seul corps céleste à avoir une atmosphère où se forme des nuages. De façon générale, la plupart des planètes et lunes du Système solaire possédant une atmosphère importante ont des nuages, mais leur composition est souvent fort différente puisque leur atmosphère est formée de gaz variés. Ainsi par exemple, les nuages épais qui recouvrent Vénus sont formés de dioxyde de soufre, de vapeur d'eau et de gouttelettes d'acide sulfurique, alors que ceux de Jupiter et de Saturne sont faits d'ammoniaque à l'extérieur, de hydrosulfure d'ammonium au milieu et d'eau à l'intérieur[24],[25]. Des nuages semblent également avoir été détectés autour de planètes extrasolaires, et il est très probable que la plupart des planètes des autres systèmes planétaires en possèdent si elles ont une atmosphère, même si des planètes à l'atmosphère « transparente » (sans nuage) semble également avoir été détectées, y compris des géantes gazeuses.

La formation et la classification de ces nuages extraterrestres varient également avec la composition de l'atmosphère considérée.

Notes et références[modifier | modifier le code]

  1. Christophe Cusset, La Météorologie Dans l'Antiquité : Entre science et croyance, Université de Saint-Etienne,‎ 2003, p. 57
  2. D'où le terme de nuance
  3. Hubert Damisch, Théorie du nuage de Giotto à Cézanne : Pour une histoire de la peinture, Seuil,‎ 1972 (ISBN 2020027119), p. 65
  4. Aristote, « Chapitre 9. De la formation des nages, et du brouillard » , dans les Météorologiques
  5. Barthélemy l'Anglais, « chapitre 11. De aere » dans Liber de proprietatibus rerum, 1240
  6. Joëlle Ducos « Le nuage entre ciel et terre : le subtil et l'épais » dans En un vergier, Joëlle Ducos, Guy Latry, Marie-Francoise Notz, Presses Universitaires de Bordeaux, 2009, p. 57 à 66
  7. Hubert Damisch, op. cité, p. 302
  8. (en) John E. Thornes, John Constable's Skies : A Fusion of Art and Science, Continuum International Publishing Group,‎ 1999, 288 p. (lire en ligne)
  9. Jean-Baptiste de Lamarck, « Sur la forme des nuages », dans Annuaire Météorologique pour l'an XI, Paris, volume 3, p. 149-164.
  10. 5 catégories en 1802 (nuages en voile, attroupés, pommelés, en zébrures, groupés) puis 13 en 1806.
  11. (en) Luke Howard, Essay on the Modification of Clouds, Churchill,‎ 1865, 38 p. (lire en ligne)
  12. Atlas I, p. 14
  13. les Cirrus n’ont pas eu besoin d’autant de précisions, car se sont des nuages élevés qui affectent dans une moindre mesure les activités humaines
  14. a, b, c et d (en) J. Koch, « Cloud Types », Brandon University,‎ 2013 (consulté le 2 janvier 2014)
  15. « La Terre vue de l'Espace : Traînées de condensation », ESA Informations locales, Agence spatiale européenne,‎ 12 septembre 2008 (consulté le 6 juillet 2009)
  16. OMM, Atlas international des nuages, vol. I : manuel de l’observation des nuages et autres météores, Genève, Organisation météorologique mondiale,‎ 1975 (ISBN 978-92-632-0407-3, lire en ligne)
  17. OMM, Atlas international des nuages, vol. II, Genève, Organisation météorologique mondiale,‎ 1975 (ISBN 978-92-632-2407-1, lire en ligne)
  18. (en) Richard R Scorer, Clouds of the world;a complete color encyclopedia, Stackpole books,‎ 1972, 176 p. (ISBN 0-8117-1961-8), p. 31-33
  19. (en) Stefen F. Corfidi, « Elevated Convection and Castellanus: Ambiguities, Significance, and Questions », WEATHER AND FORECASTING, 23, NOAA (consulté le 26 juin 2010)
  20. E.C. Barrett and C.K. Grant, « The identification of cloud types in LANDSAT MSS images », sur NASA,‎ 1976 (consulté le 12 décembre 2013)
  21. « Nébulosité et nébulosité totale », Glossaire de la météorologie, EUMETCAL (consulté le 20 mars 2008)
  22. Ici avec l'exemple pris dans le manuel de TRNSYS
  23. Organisation météorologique mondiale, « Luminance lumineuse du nuage », sur Eumetcal (consulté le 22 avril 2014)
  24. (en) A.P. Ingersoll, « Dynamics of Jupiter’s Atmosphere » [PDF], Lunar & Planetary Institute (consulté le 22 août 2013)
  25. (en) Monterrey Institute for Research in Astronomy, « Saturn »,‎ 11 août 2006 (consulté le 22 août 2013)

Bibliographie[modifier | modifier le code]

  • Jean-Pierre Chalon, Combien pèse un nuage? ou pourquoi les nuages ne tombent pas, EDP Science (ISBN 2-86883-610-0)

Voir aussi[modifier | modifier le code]

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Articles connexes[modifier | modifier le code]

Liens externes[modifier | modifier le code]