Formation des nuages

Ce sont de minuscules particules d'eau liquide et/ou solide (2 à 50µm) en suspension dans l'atmosphère qui constituent les nuages, elles sont si fines que l’agitation atmosphérique les maintient en suspension.

Quand il y a condensation de la vapeur d'eau soit par refroidissement ou par apport d'humidité, les nuages se forment.
Pour qu'un nuage se forme, il faut de la vapeur d'eau (l’humidité contenue dans l’air) et des noyaux de condensation. La quantité d'eau contenue au maximum sous forme de vapeur par kg d'air varie en fonction de la température. Plus l’air est chaud, plus il peut contenir d’humidité. Comme la quantité de vapeur d'eau nécessaire pour obtenir un air saturé diminue avec la température, la cause principale de la formation d'un nuage est un refroidissement.

Arrivé au stade de saturation à 100% d'humidité, la condensation commence pour donner naissance à un nuage.
En s’élevant, l’air humide subit un refroidissement adiabatique "standard" (2°/1000 ft).
Un air chargé à 65 % d'humidité au niveau du sol en s’élevant dépassera la saturation vers 1000 m (13°C). Néanmoins, un phénomène de sursaturation peut se produire. La sursaturation est la persistance d'état de vapeur dans les conditions normales d'état solide ou liquide. Ainsi, en altitude, on peut trouver une humidité de 150%. Cet état instable est mis en évidence par les traînées d'avions ou contrails laissées après le passage de l'avion.
La présence de vapeur d'eau n'est pas suffisante. Il faut des conditions particulières pour que se forment les nuages.

-Formation des nuages cumuliformes : Les nuages cumuliformes se forment par condensation de l'humidité de l'air lors d'un refroidissement adiabatique (transformation au cours de laquelle les échanges de chaleur, entre le système étudié et le milieu extérieur, sont nuls à cause de la mauvaise conductibilité de l'air) obtenu par élévation d'une masse d'air selon trois modes possibles :

1 Par convection ou ascendances thermiques, mouvements verticaux d'air chaud, La chaleur du sol se transmet à l'air par conduction, cet air se dilate et sa masse volumique diminue. Il monte et se refroidit par détente. Ces nuages de convection apparaissent s’il y a de l'air froid en altitude (masse d'air instable). Les bases de tels nuages sont horizontales, leurs sommets évoluent en fonction de la température. Ils se rencontrent l'été sur terre, l'hiver sur mer.

2 Par ascendance forcée sur un relief ou ascendance orographique (les nuages sont plus isolés) ou onde de relief.
La masse d'air s'élève sur sa face au vent lorsqu’elle rencontre un relief. S'élevant, sa température s'abaisse et atteint le seuil de saturation. Un nuage se forme sur le versant au vent et se dissipe sur le versant sous le vent.

3 Par ascendance d'une masse d'air chaud sur une masse d'air froid : soulèvement frontal caractéristique du front chaud. Ascendance liée à la turbulence qui forme des Stratocumulus dits turbulents. Au cours de son ascension, les particules d'air se détendent du fait de la diminution de pression et se refroidissent. Ce mécanisme est à l'origine de la formation de presque tous les nuages.

Le sommet du nuage correspond à l'altitude à laquelle cessent les mouvements verticaux. C'est le niveau d'équilibre thermique au-dessus duquel la couche d'air est stable.

-Formation des nuages stratiformes : Les nuages stratiformes se forment par condensation de l'humidité lors du refroidissement d'une masse d'air selon plusieurs modes possibles :
1 Le refroidissement isobare (à pression constante) obtenu par contact avec un sol froid.

2 le refroidissement nocturne entraîne une hausse de l'humidité et la formation de rosée, de gelée blanche, de brume ou de brouillard de rayonnement et même de Stratus ou Stratocumulus, si l’air est humide et le vent faible.

3 Par refroidissement lors d’un soulèvement dit synoptique. Ce soulèvement est graduel, produisant des systèmes nuageux d'une texture uniforme.

Classification des nuages (nomenclature)

Cette nomenclature a été organisée selon la hauteur de la base des nuages par rapport au sol en trois niveaux appelés « étages », et non par rapport à l'altitude de leur sommet, On distingue quatre familles de nuages.

Étagement des nuages
Un étage de nuage est une couche ou région de l'atmosphère dans laquelle les nuages de certaines familles apparaissent normalement. La troposphère a été divisée verticalement en trois étages qui varient selon la latitude des régions : polaires, tempérées et tropicales. Les hauteurs approximatives de ces limites sont :

-l'étage élevé situe à des altitudes de 3 à 8 km dans les régions polaires, 5 à 13 km dans les régions tempérées et 6 à 18 km dans la zone tropicale ;

-l'étage moyen commence à 2 km au-dessus du sol à toute latitude et s'étend jusqu'à 4 km près des pôles, 7 km aux latitudes moyennes et 8 km dans les tropiques ;

-l'étage inférieur, ou bas, commence du sol et s'étend à 2 km au-dessus du sol sous toutes les latitudes.

Genres des nuages

L’Atlas international des nuages classe les nuages en dix genres.

-3 genres principaux: Cirrus (nuages élevés),
Stratus (nuages bas à développement horizontal), Cumulus (nuages généralement bas à développement vertical) avec d'autres types dérivés ;

-3 genres intermédiaires
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
Cumulonimbus et Nimbostratus pour ceux capables de donner de fortes précipitations.

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.

Cirrus	Traînées filamenteuses de délicats nuages blancs formés de cristaux de glace et qui ressortent sur le bleu du ciel. Ils peuvent avoir de nombreuses formes : celles de flocons isolés, de panaches en forme de plumes ou de traînées de cristaux de glace en chute dans la direction des vents, souvent appelée « cirrus en queue de cheval ». Le cirrus est un nuage générateur de précipitations, mais elles s'évaporent avant d'atteindre le sol
Cirrostratus	Mince voile blanchâtre d'aspect fibreux ou lisse couvrant entièrement ou partiellement le ciel et à travers lequel on peut distinctement apercevoir les contours de la lune ou du soleil sauf lorsqu'ils sont bas à l'horizon. Ces nuages favorisent la formation de halos
Cirrocumulus	Groupe de nuages blancs composés de très petits éléments en forme de granules ou de rides avec des ombres faibles ou sans ombres propres. Ils sont souvent accompagnés de cirrus

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 cristaux de glace ou de gouttelettes d'eau souvent surfondues.

Altostratus	Couche de nuages sombres (gris ou bleutés) qui couvrent généralement tout le ciel. On peut difficilement distinguer la lune ou le soleil à travers eux. Des altostratus minces donnent souvent au ciel un aspect de verre dépoli. Les altostratus se développent sous l'effet d'un mouvement d'ascendance au-dessus d'un front chaud
Altocumulus	Nappe de nuages blancs ou gris de forme arrondie ou aplatie. Les altocumulus sont arrangés en groupes, en lignes ou en vagues et se déplacent dans une ou deux directions. Parfois ils sont tellement rapprochés que leurs extrémités se touchent.

Hauteur moyenne de la base au-dessus du sol : sol - 2000 mètres.
Composition : gouttelettes d'eau, cristaux de glace ou gouttelettes d'eau en surfusion.

Stratus	Voile nuageux ressemblant au brouillard mais ne touchant pas le sol. La surface inférieure de ce type de nuage ne présente aucun détail repérable. Lorsqu'il se désintègre sous l'action du vent au-dessus de terrains accidentés, il est appelé « stratus fractus ». De la bruine tombe souvent du stratus. La surface supérieure peut avoir un aspect presque plat et ondulé. le brouillard est un stratus près du sol ou touchant le sol.
Stratocumulus	Nappe formée de masses arrondies qui peuvent présenter des ombres fortes. La base des stratocumulus est bien nette et assez plate, tandis qu'en surface ces nuages ont un aspect échevelé. La nappe nuageuse, souvent mince (épaisseur maximale de 0,3 km), laisse entrevoir le ciel bleu. Suivant la luminosité et l'épaisseur de la couche nuageuse, le stratocumulus peut varier du blanc au gris foncé.
Nimbostratus	Une nappe basse de couleur gris foncé aux bordures échevelées, habituellement presque uniforme et peu éclairée. En latin, nimbus signifie pluie ou averse. Lorsque ce nuage donne des précipitations, celles-ci tombent sous forme de pluie ou de neige continue. L'épaisseur du nimbostratus peut atteindre plus de 4 500 mètres.

Hauteur moyenne de la base au-dessus du sol : 450 mètres et plus.
Composition : en dessous du niveau de congélation, gouttelettes d'eau ; au-dessus du niveau de congélation, cristaux de glace ou même gouttelettes d'eau en surfusion.

Cumulus	Nuages denses à extension verticale - la base est aplatie et se forme à des hauteurs uniformes; le sommet est arrondi et a la forme d'un chou-fleur. Le nuage paraît blanc et luit sous le soleil, par contre il peut paraître foncé vu d'en dessous. Les cumulus ont tendance à se former durant le jour et à se dissiper la nuit au-dessus de la terre, mais cette variation ne se voit pas au-dessus de la mer.
Cumulonimbus	Nuage dense et puissant à vaste base aplatie et à extension verticale considérable, en forme de montagne ou d'énorme tour. Une partie de sa région supérieure est généralement lisse, fibreuse ou striée et presque toujours aplatie; cette partie s'étale souvent en forme d'enclume ou de vaste panache. Ce type de nuage annonce un orage ou une averse. Il contient fréquemment de la grêle qui peut, à l'occasion, tomber au sol. De violents courants verticaux à l'intérieur du nuage font que ses contours changent constamment.

silvagenitus	L’humidités des forêts humides s'évaporent et forment des nuages
cataractagenitus	Ce nuage se forme à proximité de grandes chutes en raison de l'eau pulvérisée dans l'air.
Flammagenitus pyrocumulus	Ce type de nuages se forme en raison de feux de forêts ou d'activité volcanique, il peut générer son propre vent et dans le cas d’origine volcanique être parcouru d’éclairs électriques
homogenitus	Les nuages résultent aussi de l'activité humaine, comme au-dessus des cheminées industriels ou des tours de refroidissement des centrales
homomutatus, ou contrail	Lorsqu'un avion à réaction traverse le ciel en altitude, il laisse derrière lui une traînée de condensation qui du fait du froid en altitude se transforme aussitôt en cristaux de glace. Ces traînées persistantes finissent par s'étaler et prendre la forme de cirrus.

En prenant de l'altitude, la masse d'air prend de l'expansion et se refroidit par détente adiabatique. Ce refroidissement entraîne une augmentation de l'humidité relative et peut atteindre la saturation. On voit alors l'apparition de nuages ou de précipitations tant en amont du sommet de l'obstacle, qu'en aval de celui-ci dans les régions de maxima de l'onde. Trois types de nuages sont généralement associés aux ondes orographiques :

nuages de sommet (en capuchon)	Il semble ne pas bouger et être collé au sommet, en réalité il se forme au vent et se dissipe sous le vent
nuages lenticulaires ou altocumulus lenticularis	C’est une des espèces d'altocumulus stationnaire qu'on retrouve en aval du sommet des montagnes sous le vent, il est le signe d'un ressaut ou d'une onde orographique. Sous ces nuages lenticulaires il peut y avoir des turbulences en rotor qui piègent des nuages et leur donnent une forme de rouleau.
allée de tourbillons de Karman ou allée de Bénard-Von Karman	Il forme un motif périodique de tourbillons causés par la séparation instable d'un écoulement autour de corps peu profilés.

Les précipitations désignent tous les météores qui tombent dans l’atmosphère il peut s'agir selon la composition et la température de solides (neige, grêle..) ou de liquide (pluie).



Les précipitations sont une phase du cycle de l’eau dans l’atmosphère terrestre. Elles sont le résultat de processus physiques.

-La condensation

Les gouttes commencent à se former dans de l'air généralement au-dessus du point de congélation quand l'air soulevé devient légèrement sursaturé. Pour cela il faut des noyaux de condensation, poussières ou grains de sel, sur lesquels la vapeur d'eau se dépose. La solution chimique obtenue abaisse la tension de surface nécessaire pour former une gouttelette. Il y a au début formation de fines gouttes qui donnent le nuage. À mesure que ces gouttes montent, elles passent sous le point de congélation mais resteront surfondues lorsque leur température est comprise entre −10 oC et 0 oC. En effet, les noyaux de congélation sont beaucoup moins disponibles que les noyaux de condensation ce qui laisse beaucoup de temps durant l'ascension avant d'en rencontrer un et de transformer les gouttes en glace.
À mesure que les gouttelettes augmentent de diamètre, un second processus doit intervenir, la coalescence, afin d'atteindre un diamètre suffisant pour former des gouttes de pluie

-La Coalescence

La coalescence est l'agrégation de deux ou plusieurs gouttelettes par collision pour en former une plus grosse. Les gouttelettes croissant à des vitesses différentes. Les plus grosses bougeant plus lentement, elles vont capturer les plus petites en montant puis lorsqu'elles ne peuvent plus être soutenues par le courant du fait de la loi des carrés et des cubes, elles redescendront.


-L’ effet Bergeron

L'effet Bergeron, est un processus de formation des gouttes de pluie ou de neige. Lorsque des cristaux de glace se forment par congélation de gouttelettes, ils ont une pression de saturation moindre que celle des gouttelettes environnantes. Les gouttelettes s'évaporent et la vapeur d'eau va se déposer sur les cristaux.
Ces cristaux trop lourds vont tomber et entrer en coalescence avec d'autres pour former des flocons de neige. Ils captureront également par coalescence des gouttes ce qui les givrera si la température est sous zéro degré Celsius. Si la température de l'atmosphère est partout sous zéro au-dessus du sol, on aura de la neige. Par contre, si le niveau de congélation n'est pas atteint au sol ou s'il y a des couches au-dessus du zéro en altitude, on aura une variété de précipitations : pluie, pluie verglaçante, grésil, etc.

Formation de la grêle

Un orage de grêle se forme dans les cumulonimbus.
Dans ce nuage, les gouttes d'eau ont un mouvement vertical d'ascension. La température de l'air diminue avec l'altitude. Dès que les gouttes d'eau ont une température de -13°C, elles se transforment en noyau glacé.

Ce noyau se trouve entouré de vapeur d'eau et de gouttes d'eau en surfusion. Cette vapeur d'eau et ces gouttes d'eau surfondues sont attirées par le grêlon par effet Bergeron ; elles s'agglutinent et gèlent instantanément. Le grêlon augmente de volume et de poids.
Le mouvement ascendant de l'air peut amener le grêlon jusqu'au 15 000 m d'altitude. La vitesse d'ascension peut se faire à 40 km/h jusqu’au sommet du nuage le sommet du nuage.

Le grêlon monte jusqu'à ce que son poids ne puise plus être supporté par le mouvement de l'air ascendant. Cette limite est située entre 10 et 15 km d'altitude.

En redescendant vers le sol, le grêlon augmente encore de volume et de poids, ce qui accélère sa vitesse.

Dès qu'il sort du nuage, le grêlon diminue de volume et de poids par le phénomène de la sublimation, il commence à fondre et l'eau libérée s'évapore. Le grêlon qui atteint le sol est plus petit qu'il n'était dans le nuage. La descente se fait à grande vitesse. Un grêlon d'un centimètre de diamètre a une vitesse de descente de 9 m/s, un grêlon de 8 cm de diamètre atteint les 48 m/s (soit 172 km/h) soit une énergie de 300 Joules.