nuage

(de nue)

Ensemble visible de particules d'eau très fines, liquides ou solides, maintenues en suspension dans l'atmosphère par les mouvements verticaux de l'air et dont la saturation et la condensation peuvent entraîner la chute de précipitations.

1. Le rôle des nuages

Les nuages peuvent avoir des formes et des couleurs variées et changeantes et des caractéristiques extrêmement diverses. Ils contribuent activement au cycle de l'eau et à sa redistribution spatiale en humidifiant les couches moyennes et élevées de la troposphère et en renvoyant vers le sol, sous forme de précipitations, une partie de la vapeur d'eau atmosphérique. Les nuages et les précipitations jouent aussi un rôle majeur dans le bilan radiatif de la planète et dans la redistribution des énergies entre l'équateur et les pôles ; ils représentent par conséquent un élément important de la circulation atmosphérique à l'échelle planétaire et de l'évolution du climat. Toutefois, la variation du contenu de l'atmosphère en aérosols, associée à des sources anthropogènes ou à un réchauffement global de l'atmosphère, pourrait dans l'avenir modifier sensiblement la répartition géographique des nuages, leur structure microphysique et leur aptitude à générer des précipitations.

2. La formation des nuages

Les nuages résultent de deux événements physiques qui permettent la transformation de la vapeur d'eau atmosphérique : l'évaporation et la condensation sous forme de gouttelettes d'eau liquide ou de cristaux de glace.

2.1. L'évaporation de la vapeur d'eau

L'évaporation à partir du sol et des mers fait passer l'eau dans l'atmosphère sous forme de vapeur (gaz invisible). Les océans sont les principaux pourvoyeurs de vapeur d'eau dans l'atmosphère, bien que l'évaporation y connaisse des intensités variables selon la latitude et les conditions géographiques régionales (les océans évaporent beaucoup aux latitudes moyennes, du fait de la forte ventilation qui règne au-dessus d'eux en accord avec les perturbations du courant d'ouest). La forte teneur de l'atmosphère en vapeur d'eau acquise, le nuage naît avec la condensation de cette vapeur. Il s'ensuit les fines gouttelettes d'eau ou les fines particules de glace dont est constitué le nuage.

2.2. La condensation de la vapeur d'eau

La condensation de la vapeur d'eau est généralement la conséquence d'une ascension de l'air jusqu'à un niveau où la tension de vapeur saturante est suffisamment basse pour que les processus de condensation de l'eau puissent démarrer de façon efficace. Le soulèvement de l'air peut résulter d'une instabilité thermique (l'air le plus léger ayant tendance à monter) ou être forcé par la présence d'obstacles à la circulation horizontale de l'air (relief, convergence des lignes de courant…). Lorsqu'une parcelle d'air est soulevée dans l'atmosphère, la pression qui s'exerce sur elle diminue, elle se détend alors de façon plus ou moins adiabatique (perte ou gain de chaleur), ce qui entraîne une diminution de sa température et une augmentation de son humidité.

La montée de l'air humide aboutit, à partir d'un certain niveau, variable selon l'endroit et la saison, à la condensation par un refroidissement. Le refroidissement s'intègre dans le processus physique de détente. La pression diminue avec l'altitude croissante : 1 m³ d'air au niveau de la mer occupera un volume plus grand à 3 000 m par exemple. Il se détendra. Or, la détente d'un gaz s'accompagne d'une diminution de la température : d'où la condensation d'une partie de la vapeur d'eau contenue dans l'air ascendant, le reste imposant la saturation de cet air, au milieu duquel flotte désormais le nuage naissant.

Si le soulèvement est suffisant, l'humidité dépasse 100 %, et une partie de la vapeur d'eau se dépose alors sur des aérosols pour former des gouttelettes ou, si la température est suffisamment basse, des cristaux de glace. Des cristaux peuvent aussi se former ultérieurement par congélation des gouttelettes d'eau. Une importante libération d'énergie accompagne ces processus et augmente la vigueur du nuage. La puissance libérée, à chaque instant, dans un seul cumulonimbus peut atteindre 20 milliards de kilowatts, ce qui est supérieur à la puissance consommée en énergie domestique par l'ensemble de la population mondiale durant un temps équivalent.

2.3. Les noyaux de condensation

Dans l'atmosphère terrestre, de nombreux aérosols peuvent servir de support à la condensation (passage de la vapeur à un autre état). Ils jouent ainsi le rôle de noyau de condensation. Le processus est en général assez rapide, et donc l'humidité y dépasse rarement 101 ou 102 %. Si la condensation liquide peut se produire un peu partout, il existe des régions où la température n'est pas suffisamment basse et où les aérosols permettant d'activer la condensation solide (passage de la vapeur à la glace) et la congélation (noyaux glaçogènes) sont souvent rares ; aussi trouve-t-on fréquemment dans certains nuages convectifs, par exemple, de nombreuses gouttelettes d'eau qui restent surfondues jusqu'à des niveaux de température de − 10 ou de − 20 °C et parfois même de − 40 °C.

3. La composition des nuages

Les nuages sont composés d'une multitude de minuscules gouttes d'eau sphériques ou de petits cristaux de glace de forme hexagonale ayant l'apparence de plaquettes, d'étoiles, de colonnes, d'aiguilles ou de dendrites spatiales. Un cumulonimbus de 25 km de diamètre peut ainsi contenir jusqu'à 800 000 t d'eau condensée. La taille des cristaux peut parfois atteindre quelques millimètres, alors que celle des gouttelettes dépasse rarement 30 ou 40 μm. Chaque centimètre cube d'air nuageux contient de quelques centaines à quelques milliers de particules qui, malgré leur nombre, n'occupent qu'environ un millionième du volume.

Ces nombreuses particules diffusent la lumière ambiante dans toutes les directions et donnent ainsi au nuage un aspect opaque. Sa couleur dépend essentiellement de la lumière qu'il reçoit. Lorsque le Soleil est suffisamment haut dans le ciel, les parties de nuage qui sont éclairées directement apparaissent blanches ou grises, tandis que celles qui doivent leur éclairement au bleu du ciel sont gris bleuâtre. Lorsque le Soleil se rapproche de l'horizon, les nuages peuvent prendre une couleur allant du jaune à l'orangé, puis au rouge.

4. La classification des nuages

4.1. La classification de l’Organisation météorologique mondiale

Les nuages présentent une infinité de formes, mais trois principaux types peuvent être distingués : les cirrus, nuages blancs très élevés et à l'aspect filamenteux ; les cumulus, nuages à forme arrondie ; et les stratus, voiles nuageux horizontaux gris. Tous les nuages dérivent ou sont des combinaisons de ces trois types ; le terme nimbus désigne des nuages de pluie, et celui d'alto des nuages de haute altitude.

L'Organisation météorologique mondiale (O.M.M.) distingue dix types de nuages selon leur forme : cirrus, cirrocumulus, cirrostratus, altocumulus, altostratus, nimbostratus, stratocumulus, stratus, cumulus et cumulonimbus. Les huit premiers sont des nuages stratiformes, qui se développent parallèlement à la surface terrestre, les deux derniers sont des nuages cumuliformes, à développement vertical.

Ces différents nuages se répartissent, dans la troposphère, en trois étages dont l'altitude varie selon la latitude :

- à l'étage supérieur (à plus de 4 à 8 km d'altitude) se trouvent des nuages constitués uniquement de glace : le cirrus (Ci), le cirrostratus (Cs) et

le cirrocumulus (Cc) ;

- à l'étage moyen (entre 2 et 4 à 8 km d'altitude) se trouvent des nuages constitués d'eau liquide et de glace : l'altocumulus (Ac),

l'altostratus (As) et le nimbostratus (Ns) ; le nimbostratus représente un bel exemple de déploiement à l'horizontal et à la verticale. Cela s'explique par le fait que sa couche nuageuse grise, dont la base est peu élevée au-dessus du sol et d'où s'échappent des précipitations généralement continues, exprime l'épaississement et l'abaissement d'une masse nuageuse initiale (cirrostratus) qui passe par l'altostratus, d'abord mince, puis épais. Le nimbostratus peut aussi provenir de l'étalement d'un cumulonimbus.
- à l'étage inférieur (à moins de 2 km d'altitude) se trouvent des nuages constitués uniquement d'eau liquide :

le cumulus (Cu),

le stratocumulus (Sc) et

le stratus (St).

Le cumulonimbus (Cb) est un nuage à très grand développement vertical dont la base se situe dans l'étage inférieur et le sommet dans l'étage supérieur.

4.2. Autres types de nuages

4.2.1. Nuages orographiques

Des nuages orographiques peuvent se former dans un flux d'air qui franchit une colline, une montagne isolée ou une chaîne de montagnes. Ces nuages appartiennent généralement à la catégorie des altocumulus, des stratocumulus ou des cumulus, mais leur aspect peut être très différent de l'aspect habituel de ces nuages. Dans le cas d'une montagne isolée, les nuages orographiques ont souvent la forme d'une collerette entourant la montagne, ou celle d'un capuchon coiffant son sommet. Des collines ou des montagnes allongées peuvent déclencher la formation de nuages de grande étendue horizontale prenant parfois l'aspect d'une vaste muraille. Elles entraînent aussi la formation d'ondes stationnaires qui, lorsque l'air est suffisamment humide, sont visualisées par la présence de nuages organisés en bandes parallèles régulièrement espacées.

4.2.2. Nuages spéciaux

Les traînées de condensation sont des nuages qui se forment parfois dans le sillage des avions. Ces traînées résultent du refroidissement des gaz d'échappement, qui, à la suite de la combustion du carburant, ont une forte teneur en vapeur d'eau. À leur formation, ces traînées ont l'aspect de raies d'un blanc éclatant ; puis elles présentent des boursouflures pendantes ayant la forme de champignons inversés. Lorsqu'elles persistent, elles s'élargissent progressivement et finissent par se transformer en bancs de nuages ayant l'aspect de cirrus, de cirrocumulus ou de cirrostratus.

Les nuages nacrés ressemblent à des cirrus ou à des altocumulus en forme de lentilles et présentent des irisations très marquées, analogues à celles de la nacre. Les couleurs de ces irisations atteignent un éclat maximal juste après le coucher du soleil. Ces nuages sont assez rares et se situent généralement entre 20 et 30 km d'altitude.

Les nuages nocturnes lumineux ressemblent à des cirrus fins, mais présentent généralement une teinte bleuâtre ou argentée, parfois orangée ou rouge. Ces nuages n'ont été que très rarement observés et sont encore très mal connus. Ils se situeraient à des altitudes comprises entre 75 et 90 km, et seraient composés par des poussières cosmiques très fines.

Les nuages d'incendie sont associés aux produits de combustion provenant des grands incendies (forêts, puits de pétrole, etc.). Ces produits prennent souvent l'aspect de nuages denses, sombres et bourgeonnants qui ressemblent à des nuages de convection fortement développés, dont ils se distinguent toutefois par la rapidité de leur développement et par leur couleur sombre. Lorsqu'ils sont entraînés par le vent à de grandes distances de leur lieu d'émission, ils prennent l'aspect de voiles stratiformes peu épais, à la teinte caractéristique, qui communiquent parfois une couleur bleue au Soleil ou à la Lune.

Les nuages d'éruption volcanique ressemblent, en général, à des nuages cumuliformes fortement développés, avec des protubérances qui croissent rapidement. Ils peuvent s'étaler à haute altitude et recouvrir de vastes régions ; dans ce cas, le ciel prend une teinte caractéristique qui peut durer plusieurs semaines. Ces nuages sont constitués, en majeure partie, par des particules de poussière ou par d'autres particules solides de dimensions diverses.

4.2.3. Photométéores

Les photométéores sont des phénomènes lumineux engendrés par l'interférence de phénomènes météorologiques avec la lumière solaire ou lunaire.

Les halos sont des phénomènes optiques, ayant la forme d'anneaux, d'arcs, de colonnes ou de foyers lumineux, engendrés par réfraction ou réflexion de la lumière par des cristaux de glace en suspension dans l'atmosphère. Le petit halo est un anneau lumineux de 22° de rayon, centré sur l'astre éclairant, avec habituellement une frange rouge peu visible à l'intérieur et, quelquefois, une frange violette à l'extérieur. Le grand halo a 46° de rayon. Il est toujours moins lumineux et beaucoup moins fréquent que le petit halo. La couronne est composée d'une ou de plusieurs séries d'anneaux colorés, centrés sur le Soleil ou la Lune et de rayon relativement faible.

Les irisations correspondent à des couleurs observées sur les nuages, parfois entremêlées, parfois ayant l'aspect de bandes sensiblement parallèles aux contours des nuages. Les couleurs prédominantes sont le vert et le rose, souvent avec des nuances pastel.

La gloire est une série d'anneaux colorés, vus par un observateur autour de son ombre portée sur un nuage constitué principalement par de nombreuses petites gouttelettes d'eau, sur du brouillard ou sur de la rosée.

L'arc-en-ciel est un groupe d'arcs concentriques, dont les couleurs vont du violet au rouge, engendré par la lumière solaire ou lunaire sur un écran de gouttes d'eau. Dans l'arc-en-ciel principal, le violet est à l'intérieur (avec un rayon de 40°) et le rouge à l'extérieur. Dans l'arc-en-ciel secondaire, qui est beaucoup moins lumineux, le rouge est à l'intérieur (avec un rayon de 50°) et le violet à l'extérieur.

5. Les systèmes nuageux

5.1. Les systèmes nuageux et les perturbations du front polaire

La tête d'un système nuageux correspond au secteur froid antérieur, avec les cirrus qui annoncent le front chaud.

Le corps correspond aux trois fronts (chaud, froid, occlus [lorsqu'un front froid rattrape un front chaud]), avec leurs nuages bas, épais et sombres (altostratus et nimbostratus, puis cumulonimbus du front froid), accompagnés de précipitations continues.

La traîne est la zone instable du secteur froid postérieur, avec ses averses et ses éclaircies, ses nappes de stratocumulus trouées de bleu ou ses cumulus bourgeonnants voguant sur le ciel clair. Les marges comportent des cirrus, des stratocumulus et des altocumulus en évolution incessante.

La zone de liaison marque le ciel couvert de stratus du secteur chaud. Entre deux systèmes nuageux s'étend une zone de beau temps appelée intervalle  (ciel clair ou peuplé de rares cumulus peu développés).

5.2. Les systèmes nuageux et les perturbations tropicales

Dans les perturbations tropicales, les nuages cumuliformes prédominent, surtout en période d'hivernage. Cela traduit l'importance des mouvements ascendants, alors favorisés par une atmosphère instable (air chaud et humide). Outre les ondes de l'est, les cyclones tropicaux et la convergence intertropicale offrent l'image de nuages à grand développement vertical. Dans le lit des alizés boréaux et austraux, où l'instabilité et forte aux basses latitudes, les cumulus ont un déploiement sensible (cumulus congestus). C'est cependant sur la ligne de convergence des alizés que l'ascendance est maximale (ascendance dynamique) et que s'édifient les organismes nuageux les plus puissants (cumulonimbus).

6. Observations et étude des nuages

Afin de mieux comprendre leur répartition, mais aussi pour surveiller et prévoir leurs évolutions liées aux changements climatiques, de nombreux moyens sont nécessaires pour observer les nuages, les précipitations et les conditions météorologiques associées. Les moyens d'observation systématique (stations météorologiques, radiosondages, radars…) fournissent des informations régulières sur les conditions météorologiques ainsi que sur la répartition spatiale des précipitations. Les mesures effectuées à partir du sol sont relativement précises mais n'offrent pas une couverture suffisante pour observer toutes les régions du globe.

6.1. Les satellites d'observation météorologique

Les satellites permettent d'obtenir une information quasi continue sur la couverture nuageuse, la température du sommet des nuages et leur vitesse de déplacement, le contenu en eau des systèmes de précipitations et le profil vertical de température et d'humidité en dehors des régions nuageuses.

Dans le futur, les capteurs dits « actifs » émettront des ondes électromagnétiques qu'ils utiliseront ensuite pour effectuer des mesures ; les radars profileurs de vent ou les lidars devraient remplacer les radiosondages et permettre la fourniture automatique et fréquente de profils verticaux. Le projet TRMM (Tropical Rainfall Measuring Mission) prévoit l'installation sur un satellite d'un radar qui fournira des informations globales sur la répartition des précipitations dans les régions tropicales. L'embarquement de lidars Doppler et de spectromètres à haute résolution permettra la mesure globale de paramètres tels que les champs de vent et les profils de température, d'humidité et de concentration en ozone.

6.2. Les systèmes radars

Des systèmes d'observation sont spécialement développés lorsque les besoins de la recherche ne peuvent être satisfaits à partir des moyens opérationnels. Les moyens mobiles (stations météorologiques automatiques, stations de radiosondage, etc.) peuvent être déplacés à l'occasion de campagnes de mesures et fonctionner de façon plus ou moins autonome. Les radars à diversité de polarisation et les radars Doppler permettent d'obtenir des informations précises sur l'intensité des précipitations et les champs de vent associés.

Les avions instrumentés sont un moyen d'approcher ou de pénétrer les nuages pour effectuer des mesures plus précises ou des mesures in situ et des prélèvements. Certains ont été spécialement équipés pour pouvoir pénétrer et étudier les orages les plus violents ou les cyclones tropicaux. D'autres sont aussi équipés de radars Doppler, grâce auxquels on effectue des mesures précises, au plus près des nuages. En particulier, un programme franco-américain a permis le développement d'un radar Doppler aéroporté qui fournit des informations fines sur les champs tridimensionnels de vent existant dans les systèmes de précipitations situés à proximité de l'avion.

6.3. Simulation numérique

Le développement des nuages et des précipitations peut être simulé sur des ordinateurs puissants en utilisant les équations qui décrivent le comportement de l'air et des différentes phases de l'eau en fonction des conditions météorologiques ambiantes. Ces modèles permettent de résoudre les mouvements à des échelles horizontales de quelques centaines de mètres, de rendre compte des divers processus qui interviennent dans les nuages et d'effectuer des expériences contrôlées dans lesquelles les valeurs de certains paramètres sont légèrement modifiées pour étudier leur influence sur le comportement du nuage. Ils sont aussi extrêmement précieux pour l'interprétation des données observées pendant les campagnes de mesures.

6.4. Tentatives de modification des nuages

En raison du fort impact des nuages sur les activités humaines, les hommes ont souvent tenté de les modifier. Mais les énergies mises en jeu étant considérables, il paraît difficile de s'y opposer directement, sauf à une échelle locale, où des modifications sensibles peuvent être envisagées. Dans la majorité des tentatives de modification volontaire du temps, on préfère agir sur des points où règne une instabilité telle qu'une faible perturbation est capable d'influencer de façon importante l'évolution naturelle. La plupart de ces opérations visent à ensemencer les nuages avec des noyaux artificiels pour tenter de modifier leur structure microphysique.

Mais, si la possibilité de dissiper les brouillards et certains nuages bas comme les stratus est maintenant démontrée, dans les autres domaines les résultats sont beaucoup moins optimistes. Les effets des ensemencements se situant dans les limites de la variabilité naturelle des précipitations, il est extrêmement difficile de les déceler et de les comprendre. Ainsi, la possibilité de réduire les chutes de grêle n'est toujours pas démontrée : un examen attentif des expériences menées, qu'on présentait comme donnant des résultats positifs, a montré que des procédures rigoureuses de contrôle n'avaient pas été remplies.

En ce qui concerne les tentatives pour obtenir des pluies plus abondantes, seule une expérience effectuée en Israël, sur des nuages convectifs d'hiver, a pu fournir une preuve convaincante d'une légère augmentation des précipitations (environ 13 %) dans une région donnée. L'efficacité apparente de cette opération pourrait être associée à une particularité des aérosols présents dans cette région du monde. L'augmentation des précipitations ou la suppression de la grêle de manière fiable sont donc encore des objectifs lointains. Des progrès dans ce domaine ne seront possibles que lorsque le comportement des nuages sera mieux compris.