Comment se forment les nuages? (Partie 1)

Dans ce nouvel article, nous allons voir comment se forment les nuages. Le premier point le plus important à avoir en tête est le cycle de l’eau. Ce dernier est représenté dans l’image suivante et j’y ferai régulièrement référence pour étayer mon propos.

Comme vous pouvez le voir, le cycle de l’eau complet est assez complexe et fait intervenir des centaines d’interactions physiques et chimiques. Il est important de noter que le changement climatique influence déjà de nombreux maillons de ce cycle, notamment l’évaporation, les précipitations ou encore la fréquence des épisodes de sécheresse.

Dans cet article, nous allons nous orienter sur deux parties principales:

• Comment l’eau s’évapore-t-elle un peu partout sur la planète?
• Comment l’eau sous forme de vapeur peut former des nuages?

Les différents mécanismes de formation des nuages feront l’objet d’un autre article puisqu’ils sont directement liés au type de nuage formé, il serait donc trop long de tout détailler dans un seul article.

Partie I. L’évaporation de l’eau

Lorsque nous étions enfants, nous avons appris que l’eau entrait en ébullition à 100°C. Heureusement pour la planète, l’eau peut s’évaporer à des températures bien inférieures, car les changements de phase de l’eau sont liés aussi à la pression. Dans le diagramme de phase de l’eau suivant, nous pouvons voir qu’à 1013 mbar, soit la pression atmosphérique au niveau de l’océan, le point de fusion de l’eau est à 0°C et son point d’ébullition, comme énoncé précédemment, à 100°C. Nous pouvons aussi voir que si la pression diminue, le point d’ébullition diminue, tandis que le point de fusion varie très légèrement.

Ainsi, lorsqu’on fait bouillir de l’eau à la plage ou au sommet du Mont Blanc, la température d’ébullition sera variable puisque la pression sera différente. L’eau atteindra l’ébullition plus rapidement au Mont Blanc, mais à une température plus faible, ce qui allongera le temps de cuisson de nos pâtes.

Il existe même un point triple pour chaque diagramme de phase où, pour toutes les espèces chimiques, l’élément peut coexister dans son état solide, liquide et gazeux. Bien entendu, pour chaque espèce, atteindre ce point demande de remplir des conditions de température et pression bien précises. Par exemple pour l’eau, 6 mbar et 0.01°C.

Maintenant, la nouvelle question est: comment de l’eau à température ambiante (par exemple 25°C) peut s’évaporer? Selon le diagramme de phase, il faudrait que de l’eau à cette température soit sous une pression de 30mbar. Au premier abord, on peut se dire que c’est difficilement réalisable dans des conditions de pression naturelles.

Pour comprendre ce phénomène, il faut cependant changer d’échelle et passer du monde macroscopique au monde microscopique.

Lorsque nous parlons d’une température de 25°C, nous décrivons en réalité l’énergie moyenne des milliards de milliards de molécules qui composent l’eau. Or, toutes ces molécules ne possèdent pas exactement la même énergie. Certaines se déplacent plus lentement que la moyenne, tandis que d’autres sont beaucoup plus rapides.

Imaginez une foule de personnes courant dans toutes les directions sur une place. Si l’on mesure leur vitesse moyenne, certaines personnes courront plus vite et d’autres plus lentement que cette valeur moyenne. Les molécules d’eau se comportent de façon similaire.

À la surface d’un liquide, les molécules les plus énergétiques peuvent parfois acquérir suffisamment d’énergie pour échapper aux forces d’attraction exercées par les molécules voisines. Lorsqu’elles y parviennent, elles quittent le liquide et rejoignent l’atmosphère sous forme de vapeur d’eau.

C’est ce phénomène que l’on appelle l’évaporation.

Contrairement à l’ébullition, qui se produit dans tout le volume du liquide, l’évaporation ne concerne que la surface. Elle peut donc avoir lieu à n’importe quelle température. Même une flaque d’eau à quelques degrés au-dessus du point de congélation continue lentement à perdre des molécules dans l’atmosphère.

L’évaporation consomme également de l’énergie sous forme de chaleur. C’est pourquoi la transpiration rafraîchit notre peau ou pourquoi une serviette humide paraît froide lorsqu’elle sèche au vent.

L’évaporation est donc un processus permanent. Chaque seconde, des molécules d’eau quittent les océans, les lacs, les rivières, les sols humides et même les végétaux, on parle alors d’évapotranspiration.

Cependant, une autre question apparaît immédiatement : pourquoi les océans ne s’évaporent-ils pas entièrement au fil du temps ?

La réponse est que l’air contient déjà de la vapeur d’eau. Lorsqu’une molécule s’échappe de la surface de l’océan, elle rejoint une atmosphère où d’autres molécules d’eau sont déjà présentes. Certaines de ces molécules reviennent même régulièrement vers la surface et se recondensent.

Un équilibre dynamique s’établit alors entre :

• les molécules qui quittent l’eau par évaporation ;
• les molécules qui retournent dans l’eau par condensation.

Lorsque l’air est très sec, peu de molécules reviennent vers la surface et l’évaporation est importante. À l’inverse, lorsque l’air est déjà chargé en vapeur d’eau, les retours vers le liquide deviennent plus fréquents et l’évaporation ralentit.

C’est cette notion qui est à l’origine de l’humidité de l’air.

Pour caractériser la quantité de vapeur d’eau présente dans l’atmosphère, les météorologues utilisent notamment l’humidité relative (voir schéma suivant). Cette grandeur indique à quel point l’air est proche de la saturation, c’est-à-dire de la quantité maximale de vapeur d’eau qu’il peut contenir à une température donnée. Un air à 100 % d’humidité relative est saturé : il ne peut pratiquement plus accepter de vapeur d’eau supplémentaire sans qu’une condensation ne débute.

À ce stade, l’eau s’est donc transformée en vapeur invisible et s’est mélangée à l’air atmosphérique. Nous avons vu que ce phénomène peut se produire à n’importe quelle température et qu’il dépend fortement de l’humidité de l’air environnant. Grâce à l’évaporation et à l’évapotranspiration, d’immenses quantités d’eau rejoignent continuellement l’atmosphère chaque jour.

Pourtant, cette vapeur d’eau reste totalement invisible. Comment passe-t-on alors d’un gaz transparent à ces vastes structures blanches, grises ou parfois noires que sont les nuages ?

Pour répondre à cette question, nous devrons nous intéresser dans le prochain article au refroidissement de l’air, au point de rosée, à la saturation et aux noyaux de condensation qui permettent aux premières gouttelettes de se former.

— Baptiste Lorient