Unnuage est enmétéorologie une masse visible constituée initialement d'une grande quantité de gouttelettes d’eau (parfois decristaux de glace associés à desaérosols chimiques ou des minéraux) en suspension dans l’atmosphère au-dessus de la surface d'uneplanète. L’aspect d'un nuage dépend de sa nature, de sa dimension, de lalumière qu’il reçoit, ainsi que du nombre et de la répartition des particules qui le constituent. Les gouttelettes d’eau d’un nuage proviennent de lacondensation de lavapeur d'eau contenue dans l’air. La quantité maximale de vapeur d’eau (gaz invisible) qui peut être contenue dans une masse d'air varie en fonction de latempérature et de la pression : plus l’air est chaud, plus il peut contenir de vapeur d’eau. À chaque instant, environ 60 % de latroposphère terrestre est nuageuse (voir les articlesPression de vapeur saturante etFormule de Clapeyron).
L'histoire des représentations des nuages présente les différentes perceptions des nuages au cours des siècles. Les nuages ont souvent fait partie de présages ou de signes divins dans certaines croyances.
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]. Ainsi Aristote dans son traité desMétéorologiques utilise sa théorie desquatre éléments pour classer les nuages dans lesmétéores aqueux (leshydrométéores). L'explication aristotélicienne repose sur la double exhalaison tellurique provoquée par l'aspiration du soleil : des vapeurs naissent des lieux humides et se concentrent dans l'air pour former les météores humides, des exhalaisons sèches naissent de la terre pour former les météores secs (vents, foudre, tonnerre, météores ignés tels que comètes, étoiles filantes et Voie lactée)[2].
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 (périodebaroque etromantisme, notamment leSturm und Drang allemand)[8]. Néanmoins, le nuage représenté dans les arts reste essentiellement du domaine du sacré jusqu'auXIXe siècle (hiérophanie de l'ascension du Christ, visions mystiques)[9]. À partir duXIXe siècle et jusqu'à aujourd'hui, les artistes commeClaude Monet,John Constable ouOlafur Eliasson utilisent les observations scientifiques des nuages (notamment à partir de montées en ballons) dans leurs œuvres[10]. Quant àCharles Baudelaire, il représente les nuages comme la quintessence de la vie d'un étranger dans son poèmeL'Étranger :« - Qui aimes-tu le mieux, homme énigmatique, dis ? ton père, ta mère, ta sœur ou ton frère ? - Je n'ai ni père, ni mère, ni sœur, ni frère. - Tes amis ? - Vous vous servez là d'une parole dont le sens m'est resté jusqu'à ce jour inconnu. - Ta patrie ? - J'ignore sous quelle latitude elle est située. - La beauté ? - Je l'aimerais volontiers, déesse et immortelle. - L'or ? - Je le hais comme vous haïssez Dieu. - Eh ! qu'aimes-tu donc, extraordinaire étranger ? - J'aime les nuages... les nuages qui passent... là-bas... là-bas... les merveilleux nuages ! ».
La formation de nuages résulte du refroidissement d’un volume d’air jusqu’à lacondensation d’une partie de sa vapeur d’eau dont la source est l'évapotranspiration des plantes, l'évaporation de plans d'eau et lasublimation des glaces[15]. Si le processus de refroidissement se produit au sol (par contact avec une surface froide, par exemple), on assiste à la formation debrouillard. Dans l’atmosphère libre, le refroidissement se produit généralement par soulèvement,mécanique ou thermodynamique, en vertu du comportement desgaz parfaits dans une atmosphèrehydrostatique, selon lequel un gaz se refroidit spontanément lorsque lapression baisse de façon adiabatique[16]. Les nuages peuvent aussi perdre une partie de leur masse sous forme deprécipitations, par exemple sous forme de pluie,grêle ou neige.
Lacondensation de lavapeur d'eau, en eau liquide ou en glace, se produit initialement autour de certains types demicroparticules de matière solide (aérosols), qu'on appelle desnoyaux de condensation oude congélation[17],[18]. La formation de ces aérosols a été spécifiquement étudiée par des expériences comme CLOUD duCERN, qui a mis principalement en évidence l'importance des vapeurs organiques. Cette expérience souligna également le rôle potentiellement important des rayons cosmiques galactiques dans le processus complexe de création des nuages[19]. La congélation spontanée de l'eau liquide en glace, dans uneatmosphère très pure, ne se produit pas au-dessus de−40°C. Entre0 et −40°C, les gouttes d'eau restent dans un état métastable (surfusion), qui cesse dès qu'elles entrent 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 »[20]. Ce mécanisme repose sur le fait que lapression partielle desaturation 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’eausurfondue, 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 précipitations : 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 laconvection atmosphérique, à la présence de terrains montagneux faisant obstacle à l’écoulement de l’air ou à des facteurs de la dynamique atmosphérique, comme lesondes baroclines (aussi appelées « ondes frontales »).
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 unesubsidence de l'air qui entraîne unecompression adiabatique de celui-ci.
La distribution des nuages varie également selon certains effets topographiques. Par exemple, le flux d'air le long d'une pente montante augmente la production de nuages et de précipitations à cet endroit car l'air est forcé en altitude. À l'inverse, l'air descendant des montagnes pareffet de foehn va s'assécher et dissiper les nuages. Ceci donne des régions plus nuageuses que d'autres avec un même système météorologique à grande échelle : les régions côtières sont plus nuageuses que celles en aval des montagnes.
Finalement, selon la stabilité de l'air, desnuages convectifs se forment à certaines saisons et pas à d'autres sur une région donnée.
Les nuages se forment selon deux processus : laconvection et le soulèvement progressif de lamasse 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 uneextension verticale élevée, mais une extension horizontale limitée. Ces nuages sont désignés génériquement par le terme « cumulus ». Ils peuvent se développer à différents niveaux de latroposphère, là où l'instabilité existe.
Le soulèvement ditsynoptique 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.
Pour les types de nuages sans développement vertical important, cette nomenclature a été organisée selon la hauteur de leurbase au-dessus du sol en trois niveaux appelés « étages », déterminant ainsi trois familles (A, B et C). Les nuages présentant un développement vertical plus important constituent une quatrième famille, elle-même subdivisée en deux sous-familles (D1 et D2).
Chaque nuage est rattaché à ungenre et uneespèce. Il peut lui être associé un descriptif supplémentaire appelévariété.
Un étage de nuage est une couche ou région de l'atmosphère dans laquelle les nuages de certaines familles apparaissent normalement. Latroposphère a été divisée verticalement en trois étages dont les limites se chevauchent quelque peu et varient selon la latitude des régions : polaires, tempérées et tropicales. Les hauteurs approximatives de ces limites sont[23] :
3 genres « principaux » :Cirrus (nuages élevés),Stratus (nuages bas à développement horizontal), etCumulus (nuages généralement bas à développement vertical) avec d'autres types dérivés ;
3 genres intermédiaires des 3 précédents :Cirrostratus,Cirrocumulus etStratocumulus ;
Pour chaque genre de nuages, on note des subdivisions appelées espèces qui s'excluent mutuellement. Elles sont déterminées selon au moins une des caractéristiques suivantes[26] :
Forme (nuages en bancs, en voile, en nappe, en couche, etc.) ;
Espèces et genres peuvent encore être divisés. Ces divisions sont nommées variétés et ne s'excluent pas mutuellement, sauf les variétéstranslucidus (translucide) etopacus (opaque). Elles sont déterminées selon l'une des deux caractéristiques suivantes[27] :
leur transparence (laissent apercevoir ou non complètement le Soleil ou la Lune) ;
En plus de cette classification formelle, il existe des nuages accompagnant un autre nuage, généralement plus petits que ce dernier, et séparés de sa partie principale ou parfois partiellement soudés à elle. Un nuage donné peut être accompagné d'un ou de plusieurs de ces nuages annexes dont les principaux sont[28] : lepannus, lepileus, et levelum.
Genitus etmutatus sont des suffixes utilisés dans le nom d'un nuage pour indiquer son origine :
Genitus est ainsi utilisé pour désigner un nuage qui se développe à partir des prolongements (attenants ou non) d'un nuage-origine qui deviennent des nuages d'un genre autre que celui du nuage-origine. Par exemple, unstratocumulus cumulogenitus est unstratocumulus provenant des extensions nuageuses autour d'uncumulonimbus[30]. Latraînée de condensation produite par le passage d'un avion en haute altitude n'est pas un nuage en elle-même mais peut se transformer en nuage du genre cirrus. Elle est donc considérée commehomogenitus.
Mutatus est lui utilisé pour un nuage qui se développe de la totalité ou d'une partie importante d'un nuage qui est le siège d'une transformation interne complète, le faisant passer d'un genre à un autre. Par exemple, unstratus stratocumulomutatus est unstratus découlant d'unstratocumulus[31].
Ils se forment au-dessus de 5 000 mètres dans la région froide de latroposphère. Ils sont classés commecirrus ou ses dérivés utilisant le préfixecirro-. À cette altitude, l'eau gèle quasiment toujours : les nuages sont donc composés de cristaux de glace.
Pas un genre de l'OMM mais un type de Genitus[34]. Long et fin nuage formé après le passage d'un avion à haute altitude (appelécontrail en anglais). Il peut persister de quelques minutes à plusieurs heures selon la stabilité et l'humidité relative à la hauteur de production[35]
Ils se développent entre 2 000 et 7 000 mètres (dans les régions tempérées) et sont classés en utilisant le préfixealto-. Ils sont formés de gouttelettes d'eau.
Ce sont des nuages de basses à moyennes hauteurs (base jusqu'à 3 000 mètres, sommet jusqu'à 6 000 mètres au-dessus du sol)[36]. Les cumulusmediocris etcongestus se forment généralement à basse hauteur au-dessus du sol sauf lorsque l'air est très sec et ils peuvent alors se retrouver à l'étage moyen. Ils sont formés de gouttelettes surfondues et présentent des protubérances ou des bourgeonnements[36]. Ceux-ci sont peu ou modérément développés dans le cas desmediocris et fortement développés dans celui ducongestus. Les dimensions de ces protubérances peuvent varier notablement d'un nuage à l'autre.
Le nimbostratus se forme à partir d'altostratus de hauteur moyenne qui s'épaississent et dont la base s'approche du sol avec les précipitations. Son sommet va atteindre4 kilomètres dans les régions arctiques et plus de7 kilomètres dans les régions tempérées et tropicales[37]. La constitution physique de ce nuage est analogue à celle de l'altostratus, mais ses particules constitutives sont généralement plus grosses et leur concentration plus forte. Par suite de l'extension verticale généralement grande du nimbostratus, ce dernier est assez sombre dans sa région inférieure. Bien qu'il soit essentiellement un nuage stratiforme avec faible mouvement vertical interne, des masses nuageuses d'origine convective, à grande extension verticale, peuvent se former dans son sein[37].
Les cumulonimbus peuvent avoir de forts courants verticaux et s'élèvent bien au-dessus de leur base (généralement de basse à moyenne hauteur jusqu'à 3 000 mètres au-dessus du sol). Leur sommet est de plus de 7 000 mètres et peut même atteindre les 15 kilomètres[38]. Ils sont constitués par des gouttelettes d'eau et, dans leurs régions supérieures, par descristaux de glace. L'eau des gouttelettes et des gouttes de pluie peut être fortementsurfondue et mener à la formation d'un rapide dépôt de glace sur les aéronefs. Les cumulonimbus donnent de grosses gouttes de pluie, dugrésil ou de lagrêle.
La classification des nuages date duXIXe siècle et était à l'origine purement visuelle. À cette époque il n'y avait niradiosondage,satellite ouplaneur. 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 surInternet, affichés sous forme deSkewTs,téphigrammes ouémagrammes.
En 1976, laNational Aeronautics and Space Administration américaine a d'ailleurs publié son propre classement qui place la structure physique devant la plage de hauteurs au-dessus du sol pour les critères de définition des classes. Cinq familles ou catégories ont été identifiées : Cirriforme, cumuliforme, stratiforme, stratocumuliforme, et cumulonimbiforme[44].
En 2000, Hans Häckel, Directeur du centre météorologique de Weihenstephan en Allemagne, a proposé une classification pratique, déduite de la classification internationale, basée sur le mode de formation des nuages, divisés ainsi en deux groupes : les nuages en amas et les nuages en voile ou couche[45].
Depuis le début de laRévolution industrielle, l'utilisation decombustible fossile ajoute humidité et particules dans l'atmosphère, ce qui va servir à la formation de nuages. Ces nuages peuvent se développer seuls ou augmenter la production de la nébulosité naturelle[46]. Lesnuages anthropogéniques, ouhomogenitus selon l'Atlas international des nuages de 2017[34], sont ainsi des nuages artificiellement produits par l'activité humaine.
Le type de nuages anthropogéniques le plus courant est latraînée de condensation qui se forme à haute altitude dans le sillage des avions. La formation des traînées change l'albédo de l'atmosphère et l’augmentation du trafic aérien mondial produit ainsi un effet sur les échanges énergétiques de l'atmosphère, d'autant plus que le transport aérien tend à augmenter[47],[48],[49]. Ces traînées, par leurs impacts en termes d'effet de serre[50],[51],[52], doubleraient la responsabilité du trafic aérien en termes de contribution au réchauffement[53] (sachant qu'en 2010, les émissions provenant de l'aviation représentaient environ 3 % du total annuel des émissions de CO2 provenant des carburants fossiles)[53], augmentant ainsi une part qu'on estimait autrefois faible par rapport à d'autres modes de transport[54].
Plus bas dans l'atmosphère, les usines, les centrales électriques au charbon et au pétrole, ainsi que les transports produisent localement beaucoup d'humidité et de particules. Même lescentrales nucléaires etgéothermiques produisent de l'humidité pour leur refroidissement. Dans des conditions d'air très stable, la production destratus, debrouillard et desmog sera augmentée. Un exemple est celui destraînées de condensation de navires qui augmente l'albédo le long des couloirs maritimes.
Des nuages convectifs se forment aussi lors de feux de forêts (pyrocumulus) ou d'explosions (nuage en champignon). Les nuages artificiels peuvent aussi être produits volontairement. Les nombreuses expériences demodification du temps impliquent l'augmentation de la nébulosité ou sa diminution par divers moyens.
Enfin, les grandes villes créent aussi leurs propres nuages, comme le montre l'imagerie satellitaire de conurbations comme celles de Londres et de Paris. Au printemps et en été, ces zones sont toujours plus nuageuses l'après-midi et le soir (de plusieurs points de pourcentage) que ne le sont les zones rurales périphériques. Alors que l'évaporation est moindre en ville, l'empoussièrement et la chaleur y sont plus élevés et augmentent au cours de la journée. La chaleur forme des turbulences au-dessus des villes, qui peuvent attirer l'air périphérique plus humide, alors que les particules peuvent faciliter la nucléation de microgouttelettes dans l'air. On a aussi constaté que les week-ends présentent une météorologie différente[55].
Les nuages nacrés sont des nuages qui se forment dans la stratosphère, à une altitude située entre 15 000 et 25 000 mètres. Les nuages nacrés sont rares et se forment surtout l'hiver à proximité des pôles. Ils ont été décrits par l'astronome Robert Leslie dès 1885. Ils sont impliqués dans la formation de trous dans lacouche d'ozone car ils supportent les réactions chimiques qui produisent des molécules de composés chlorés. Ces molécules servent de catalyseur à la réaction détruisant les molécules d'ozone.
Les nuages noctulescents, aussi connus sous le nom de nuages polaires mésosphériques[56], nuages nocturnes lumineux[57] ou de nuages noctiluques[56], sont des formations atmosphériques de très haute altitude. Pour un observateur terrestre, ils se présentent comme de brillants nuages en forme de filaments ou de nappes, visibles durant le crépuscule profond — c'est-à-dire lecrépuscule astronomique. La plupart du temps, ces nuages sont observés durant les mois d'été entre leslatitudes 50° et 70° aunord et ausud de l'équateur. Ils se trouvent entre 75 et 90 kilomètres d'altitude[57].
L'atmosphère terrestre est plus ou moins saturée en eau. L'imagerie satellitaires montre qu'à un instant donné, environ 60 % de la surface du globe est recouverte de nuages[58].
La nébulosité, ou couverture nuageuse, désigne 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[59]. Les deux se mesurent enoctas, soit le huitième de la voûte céleste, ou en dixièmes. La nébulosité et l'opacité des nuages sont signalés par les rapports météorologiques (METAR).
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 deslunettes d'obscurité pour éviter les reflets. Cependant, la nébulosité peut être calculée par la fraction de l'heure où uncélomètre enregistre des nuages. La nébulosité totale peut aussi être estimée par un instrument mesurant E, l'éclairement sur une surface horizontale, par des estimations de la forme[60] :
L'état du ciel est la description de la nébulosité, de l'opacité, de la hauteur et du type de nuages, ainsi que les obstructions à la visibilité comme lebrouillard, lesprécipitations ou la fumée, à un moment déterminé aux différents étages nuageux[61].
La nébulosité est cumulative, c'est-à-dire qu'elle est la fraction, enoctas ou dixièmes de la voûte céleste, couverte par des couches situées à ce niveau et au-dessous. Par exemple, si une couche de nuages de l'étage bas couvre 3 octas, la couche rapportée au niveau moyen sera de 3 octas ou plus. L'opacité est rapportée de la même façon[62].
L'état du ciel total peut être décrit comme la somme des caractéristiques de la somme des couches de nuages et d'obstruction à visibilité où[63] :
Ciel dégagé : un ciel où il y a absence totale de couches nuageuses ou de phénomènes obscurcissant la voûte céleste ;
Épars : une couche en altitude dont l’étendue cumulative est de 1/10 à 5/10 ;
Fragmenté : une couche en altitude dont l’étendue cumulative varie entre 6/10 et 9/10 inclusivement ;
Couvert : une couche en altitude dont l’étendue cumulative dépasse 9/10.
Une couche doit être décrite comme « mince » lorsque les deux conditions suivantes s’y retrouvent[63] :
L’étendue cumulative de la couche dépasse l’opacité cumulative de 1/10 ou plus du ciel entier ;
L’opacité cumulative de la couche est de 5/10 ou moins du ciel entier.
Les obstructions à la visibilité, les précipitations, la hauteur des couches, etc. seront ajoutées dans un rapportMETAR de l'état du ciel.
La diffusion de lalumière par les gouttelettes des nuages selon lathéorie de Mie se fait surtout vers la direction d'où vient la lumière et dans la direction où elle va : c'est laluminance du nuage[64]. 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. Naturellement, l'épaisseur et la densité du nuage (notion d'opacité précédemment évoquée) intervient également, d'où la base parfois extrêmement sombre des cumulonimbus.
La dispersion de la lumière à travers les cristaux de glace descirrostratus obéit quant à elle à ladiffusion de Rayleigh, qui est isotrope selon l'angle mais dépend de la longueur d'onde. C'est pourquoi on voit souvent deshalos circulaires autour du Soleil ou desparhélies (ou faux soleils) lorsque ce type de nuage s'interpose.
Jupiter et sa couche nuageuse externe.Nuages de glace d'eau sur Mars.
La Terre n'est pas le seul corps céleste à avoir une atmosphère où se forment 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 recouvrentVénus sont formés dedioxyde de soufre, de vapeur d'eau et de gouttelettes d'acide sulfurique, alors que ceux deJupiter et deSaturne sont faits d'ammoniaque à l'extérieur, d'hydrosulfure d'ammonium au milieu et d'eau à l'intérieur[65],[66]. Des nuages semblent également avoir été détectés autour deplanètes 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) semblent 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.
↑Les Cirrus n’ont pas eu besoin d’autant de précisions, car ce sont des nuages élevés qui affectent dans une moindre mesure les activités humaines. Via des boucles de rétroaction complexes, ils interagissent à la fois positivement et négativement avec les émissions de gaz à effet de serre sur les court, moyen et long termes.
Canon anti-grêle : pour tenter de perturber la formation degrêle 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 ;
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