Comment se forment les nuages? (Partie 2)

Dans l’article précédent, nous avons vu comment l’eau fait pour s’évaporer un peu partout sur la planète afin d’avoir des particules de H₂O gazeux dans l’air (lien ici). Dans ce nouvel article, nous allons maintenant nous intéresser à la condensation de cette eau afin de former les grandes formations nuageuses que nous pouvons voir dans le ciel. Car en effet, la vapeur d’eau est invisible! Lorsque la bouilloire est chaude, les particules blanches que l’on peut observer sont bien de l’eau liquide et non de la vapeur d’eau.

Partie II. La formation des nuages

Nous allons découper cet article en 3 parties afin de bien comprendre les différents mécanismes mis en jeux.

A. Le refroidissement de l’air

À l’école, nous avons appris que l’air chaud a tendance à s’élever tandis que l’air froid a tendance à descendre. Pourtant, nous savons aussi que l’air est généralement plus froid en altitude qu’au niveau du sol. À première vue, ces deux phénomènes semblent contradictoires.

Pour comprendre ce paradoxe, il faut se rappeler que la pression atmosphérique diminue lorsque l’altitude augmente. On peut imaginer cette pression comme le poids de toute la colonne d’air située au-dessus de nos têtes. Même si l’air est léger, une colonne de plusieurs kilomètres de hauteur exerce une pression importante.

Ainsi, si je me rends au sommet de l’Everest, qui culmine à 8 849 m d’altitude, la colonne d’air située au-dessus de moi est beaucoup plus faible qu’au niveau de la mer. La pression atmosphérique n’y représente alors qu’environ plus qu’un tiers de celle observée au niveau de l’océan.

Lorsqu’un paquet d’air s’élève dans l’atmosphère, il n’échappe pas aux lois de la physique et subit lui aussi cette diminution de pression. Pour s’adapter à ce nouvel environnement, il se dilate et occupe un volume plus important.

Ce comportement est décrit par la loi des gaz parfaits :

$PV = nRT$

où P représente la pression, V le volume, n la quantité de matière, R la constante des gaz parfaits et T la température.

Lorsque le paquet d’air monte, la pression extérieure P diminue. L’air se dilate alors et son volume V augmente, car la loi des gaz parfait demande à toujours être équilibrée.

Cette dilatation demande de l’énergie. Comme le paquet d’air n’en reçoit pas suffisamment de l’extérieur, il puise dans sa propre énergie interne. Sa température diminue alors progressivement.

Ce phénomène, appelé refroidissement adiabatique, explique pourquoi l’air qui s’élève devient de plus en plus froid au fur et à mesure de son ascension. Ce mécanisme est notamment utilisé pour des technologies de refroidissement de l’air en remplacement de la climatisation, cette dernière produisant beaucoup de CO₂, et donc l’une des nombreuses causes du réchauffement climatique.

Je vous met un lien vers un article très intéressant sur le sujet juste ici.

Pour votre information, un paquet d’air sec qui s’élève se refroidit d’environ 1°C tous les 100 m. Lorsque la condensation débute, ce refroidissement devient plus faible, généralement autour de 0,5 à 0,7°C tous les 100 m, car la condensation libère de la chaleur. Ainsi, en haut de l’Everest, la température est en moyenne de -36°C, mais peut atteindre jusqu’à -60°C. Sur le diagramme suivant issu du site internet Britannica, nous pouvons voir qu’une fois la tropopause passée, la température remonte. La réaction des rayons UV absorbés par le dioxygène et produisant l’ozone réchauffe la stratosphère.

Dans la mésosphère, la température diminue à nouveau, puis dans la thermosphère la température remonte de façon vertigineuse sous l’action directe des rayons UV et X du soleil sur les dernières molécules de dioxygène étant parvenues jusqu’ici (entre 300°C et 2 000°C en fonction de l’activité du soleil).

Ainsi, dans la troposphère, siège des nuages, nous avons vu que l’air, en s’élevant, se dilate et se refroidit.

B. Point de rosée et saturation

A présent, nous devons nous rappeler du dernier diagramme de l’article précédent.

Nous pouvons voir sur ce diagramme que plus la température diminue, plus la limite d’humidité absolue diminue. Par exemple, pour un paquet d’air à 20°C, la limite de saturation se trouve à environ 15 g d’eau par Kg d’air sec. Si la température de ce paquet d’air en limite de saturation diminue jusqu’à 5°C, la limite de saturation passera à 5 g d’eau par Kg d’air sec. L’eau excédante devra donc se condenser en eau liquide.

La quantité maximale de vapeur d’eau que peut contenir l’air dépend de la température. Cette limite est directement liée à une grandeur appelée tension de vapeur saturante, ou pression de vapeur saturante. C’est la pression à laquelle la phase gazeuse d’une substance est en équilibre avec sa phase liquide ou solide à une température donnée dans un système fermé. Dans la réalité, l’air ne contient pas forcément la quantité de vapeur maximale, il peut en contenir moins, en revanche, avec la diminution de température il atteindra cette limite. C’est pourquoi, au-dessus de cette limite, le graphique indique « brouillard », l’air ne peut plus être sec dans cette zone et contient des particules d’eau liquide.

La vapeur d’eau quitte l’air en changeant d’état et c’est ce phénomène qui s’appelle la condensation. la température limite permettant la condensation est appelée point de condensation ou point de rosée. C’est exactement ce phénomène qui se produit lors de la formation de rosée sur les feuilles la nuit, d’où son nom.

La rosée, en revanche, est un phénomène qui se produit sur une surface solide, à l’instar de l’eau couvrant la surface d’une pinte de bière fraiche par exemple. Dans l’atmosphère, l’eau a beaucoup plus de mal à se condenser sur elle-même. En effet, une force opposée à la condensation intervient si une gouttelette d’eau se condense sur elle même, la tension superficielle. Ce phénomène explique par exemple que certains insectes peuvent glisser sur l’eau, que les gouttes de rosée ne s’étalent pas sur les feuilles ou encore l’effet de capillarité dans un tube fin.

Mais qu’est-ce que c’est exactement que la tension superficielle et comment celle-ci intervient dans la formation des gouttelettes d’eau des nuages?

Une force ayant un rôle majeur dans une gouttelette d’eau est la force de cohésion: les molécules d’eau à la surface subissent une attraction vers l’intérieur du liquide, créant une « membrane élastique » qui cherche à minimiser la surface de la goutte et lui donne une forme sphérique.

Les forces de cohésion entre molécules d’eau créent ce que l’on appelle la tension superficielle. Celle-ci agit comme une membrane élastique qui tend à maintenir la goutte compacte et sphérique. La goutte cherche à diminuer sa surface de contact avec l’air, elle va donc augmenter sa pression vers l’intérieur. La pression augmentant, des molécules d’eau à l’intérieur de la gouttelette vont s’échapper et ainsi la surface de contact eau-air va diminuer jusqu’à ce que la gouttelette disparaisse.

Pour qu’une gouttelette d’eau se forme en pleine atmosphère, autrement appelé nucléation homogène, il faudrait que le diamètre de la gouttelette d’eau soit de 1 à plusieurs nanomètres. Cela requerrait une sursaturation irréaliste de l’air en eau d’environ 500% pour compenser la perte de molécules à cause de la tension de surface. De telles sursaturations n’existent pratiquement jamais dans l’atmosphère, où la sursaturation dépasse rarement quelques dixièmes de pourcent. Les gouttelettes d’eau ont trouvé un autre moyen de se condenser efficacement pour former des nuages: les noyaux de condensation.

C. Les noyaux de condensation

La formation des nuages dans le ciel fait intervenir de minuscules poussières qui flottent dans l’air en quantités considérables. L’air le plus pur en contient environ 100 par cm³ et l’air pollué des villes plus de 1 million par cm³. Leur diamètre moyen est autour de 1 µm (soit 1 000 nm, bien plus que le diamètre minimum pour une nucléation homogène). La plus grande partie de ces particules sont des sels provenant d’incendies, de chaudières, de moteurs, des poussières de sols balayés par le vent et bien entendu des embruns océaniques.

Ces particules sont appelées aérosols, noyaux de condensation ou encore centres de nucléation, et permettent à l’eau de de se condenser par nucléation hétérogène (de l’eau qui se condense sur un autre élément). C’est d’autant plus vrai si la particule est un sel puisque ce dernier tend à attirer toujours plus d’eau à lui. Il favorise donc la formation de la goutte, mais aussi son expansion en attirant toujours plus d’eau à lui.

Le diagramme ci-dessus, courbe de Kohler, montre l’évolution du diamètre de la goutte d’eau en utilisant un grain de chlorure de sodium de trois différents diamètres comme noyau de condensation. Le diamètre augmente à mesure que l’humidité relative augmente mais si l’humidité relative redescend avant d’avoir atteint une valeur légèrement au-dessus de la saturation, repérable par les pics, la gouttelette s’évaporera. Cette portion du graphique montre que la vapeur d’eau et la gouttelette sont en équilibre thermodynamique. Elle est reliée à la formation de brume sèche si l’humidité relative ne dépasse pas la saturation.

Une fois que l’air a atteint la sursaturation nécessaire (entre 100% et 101% en général), les gouttelettes continueront de croître même si l’humidité relative diminue, tant que l’air reste saturé, car la tension de surface est moins grande que l’attraction de la vapeur d’eau par la goutte. Les pics portent le nom de « diamètre critique » et la « sursaturation critique » correspondante dépend du type et du diamètre du noyau de condensation.

Il y a d’abord formation de très fines gouttes qui donnent le nuage. À mesure que ces gouttes montent, elles passent sous le point de congélation mais resteront surfondues s’il n’y pas présence de noyaux de congélation. Ces derniers sont beaucoup moins disponibles que les noyaux de condensation et seront le sujet d’un prochain article.

Pour aller plus loin, voici le lien qui explique la théorie de Kohler, par l’université de Penn State.

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. En effet, les gouttelettes formées par condensation n’atteignent que quelques dizaines de microns.

Ainsi, l’action conjointe de la condensation puis de la coalescence permet aux gouttelettes de grossir progressivement. Les plus petites constituent le nuage, tandis que les plus grosses peuvent finir par devenir des gouttes de pluie lorsque leur poids dépasse la capacité des courants ascendants à les maintenir en suspension.

Conclusion

Ainsi, grâce à ces deux articles, nous avons pu expliquer comment l’eau présente sur Terre s’évapore puis, une fois dans l’atmosphère, comment elle peut se condenser pour former les nuages. Bien entendu, la physique de la formation des nuages est bien plus complexe que ce qui a été présenté ici. J’ai donc choisi de simplifier certains mécanismes et d’en réserver d’autres à de futurs articles.

Cet article est probablement l’un des plus techniques de la série, et j’espère être resté suffisamment clair malgré la complexité du sujet. Si certaines explications vous semblent incomplètes, imprécises ou mériteraient d’être approfondies, n’hésitez pas à me faire part de vos remarques par mail (contact@clouds-capture.com). J’apprends moi aussi en écrivant ces articles et vos retours sont toujours les bienvenus.

J’espère que ces premiers pas dans la physique fascinante des nuages vous passionnent autant que moi. De mon côté, je retourne de ce pas les photographier et tenter de mieux les comprendre pour vous.

— Baptiste Lorient