Les nuages ne sont pas des structures fixes, mais se transforment perpétuellement. En outre, ils se présentent sous une très grande variété de formes, de teintes, de structures, d'épaisseurs. Ces différences tiennent à leur mode de formation.
Physiquement, un nuage résulte de la condensation de la vapeur d'eau par refroidissement d'une masse d'air humide.Un nuage est donc un ensemble de minuscules gouttelettes d'eau (ou de cristaux de glace)en suspension dans l'atmosphère.
Les nuages, à quelque type qu'ils appartiennent, sont des corps solides. Chaque mètre cube de nuage contient entre 0,5 et 5 grammes d'eau. Cela donne, pour un cumulus une masse de 1000 à 2000 tonnes d'eau; le cumulonimbus, lui, avec une base de quelques kilomètres carrés et un sommet à 8000 mètres, transporte de 50 000 à 300 000 tonnes d'eau, selon la saison et la latitude. Vu de l'intérieur, un nuage n'est qu'un brouillard ! Cliquez ici pour voir les nuages vus du ciel
Au contraire de ce que l'on croit généralement, les nuages ne sont pas composés de vapeur d'eau; celle-ci est en effet invisible. Les composants du nuage, que ce soient des gouttes d'eau ou des cristaux de glace, sont de très petites tailles, de l'ordre du centième de millimètre. L'apparition d'eau, de glace ou des deux à la fois, dans l'atmosphère, est liée à plusieurs facteurs; l'un d'entre eux est évidemment la température. Il est en effet fréquent, dans un nuage, que l'eau reste à l'état liquide à des températures très inférieures à 0 °C, phénomène connu sous le nom de surfusion. Cependant, au-dessous de - 38 °C, la persistance de l'état liquide n'est plus possible.
Les gouttes une fois formées, pourquoi ne tombent-elles pas, mais se maintiennent-elles en équilibre en formant des nuages? C'est là qu'interviennent plusieurs facteurs de nature diverse :
la taille infime des gouttes, la pression de la vapeur existant à l'intérieur du nuage et des courants thermiques ascendants au sein du nuage.
Une autre cause très importante de cette stabilité réside dans l'existence de champs électriques dans le nuage; les gouttes sont chargées d'électricité de même signe, et elles se repoussent par conséquent mutuellement, empêchant ainsi la formation d'une masse liquide compacte. Par ailleurs, les couches supérieures du nuage ont, par rapport au sol, des charges électriques de signes opposés (négatif pour le sol, positif pour les couches élevées), en raison de continuelles décharges électriques; il se forme ainsi un gigantesque condensateur naturel, dont les armatures -+- et - sont constituées par l'atmosphère et le globe terrestre; un certain nombre d'ions voyagent entre ces deux armatures et transfèrent des charges aux gouttes d'eau.
Pourtant parfois ces gouttes atteignent le sol, c'est la pluie mais nous verrons cela dans le dossier météore.
On peut présumer de la composition d'un nuage d'après son aspect extérieur : les nuages constitués d'eau sont massifs et compacts; ( Cumulus,Cumulonimbus, Nimbostratus) par contre, ceux qui sont faits de cristaux de glace présentent un aspect ténu et comme effiloché, avec des contours peu définis. ( Cirrus Cirrocumulus)
Pour qu'un nuage se forme il faut que l'eau contenue dans l'atmosphère à l'état de gaz atteigne son point de saturation (ou point de rosée) ? Mais il faut aussi pour cela que l'air ne soit pas parfaitement pur mais chargé de minuscules,poussière d'origine diverse sur lesquelles vont se condenser de fines gouttelettes d'environ 1/100 de millimètre. On appelle ces particules noyaux de condensation. Ces noyaux peuvent être constitués par des grains de poussière, de sable, de suie, par des gaz résiduels de l'industrie ou de la combustion des cendres, des cristaux de sel provenant de l'évaporation de l'eau de mer, etc. Le nombre de ces noyaux est généralement très élevé, et les particules de poussière sont particulièrement abondantes.
Lorsque la vapeur d'eau contenue dans l'atmosphère subit une baisse de température, elle se condense autour des noyaux de condensation. Comparable au souffle de notre respiration sur une vitre froide.
La baisse de température peut être due au fait que l'air monte à une plus grande altitude où l'atmosphère est plus rare et où l'air se refroidit à raison de - 6 °C par km d'altitude. En réalité, le refroidissement est encore plus important; mais en se condensant, la vapeur d'eau dégage une certaine quantité de chaleur qui fait en partie obstacle au refroidissement. Le refroidissement peut également provenir de la simple présence du sol, dont la température diminue rapidement lors de la tombée de la nuit. Par ailleurs, les nuages accompagnant les fronts atmosphériques, ainsi que la formation de brouillards sur les côtes peut être due au contact d'une partie de l'atmosphère avec des masses d'air plus froides. Enfin, des nuages se produisent aussi lorsqu'une masse d'air escalade le flanc d'une montagne; on peut fréquemment observer dans ce cas la réversibilité parfaite du processus de formation des nuages : lorsque le nuage dépasse le sommet de la montagne et redescend de l'autre côté, il disparaît aussi rapidement qu'il est venu.
Les nuages se forment donc dans ces cas :
-par soulèvement frontal :
Dans un front chaud l'air chaud glisse sur l'air froid des basses couches et s'élève en biseau en se refroidissant il y'a formation de nuages.
Dans un front froid l'air froid rejette l'air chaud en altitude celui se refroidit et provoque la formation de nuages.
Ce type de front est très convectif en général (la pente entre les 2 masses d'air est souvent très élevée) et provoque souvent des orages en été.) et de fortes pluies.
Les nuages se forment donc le long des lignes de fronts.
-par soulèvement orographique :
Un massif montagneux oblige une masse d'air à s'élever sur sa face au vent.
La température de cette masse d'air baisse en s'élevant, lorsqu'elle atteint le point de saturation il y a formation de nuages.
-par convection :
Le réchauffement du sol sous l'action du soleil, se communique à l'air celui-ci se dilate sous l'effet de la chaleur et devient plus léger.Il s'élève et la pression devenant plus faible se refroidit par détente, (car lorsqu'on relâche la pression sur un volume d'air, ce dernier se refroidit:
en effet si la pression de l'air contenu dans un volume diminue c'est que l'air occupe moins de place, les molécules sont moins nombreuses et par conséquent les collisions entre elles sont plus rares. Lorsqu'il y a moins de collisions, la chaleur dégagée est plus faible.) Arrive donc un moment où la vapeur d'eau atteint son point de saturation,et la formation de nuages devient possible.
La pression atmosphérique joue aussi son rôle dans la formation des nuages.
En effet La quantité d'eau que peut contenir l'air dépend directement de sa température et de la pression. Par exemple, à 1000 hPa à 25 degrés Celsius la quantité maximale de vapeur d'eau que l'air peut contenir est de 20g/kg alors qu'à 900 hPa à 25 degrés Celsius cette quantité passe à 23g/kg. Toutefois, il ne faut pas oublier que si l'air monte, il se refroidit, donc la capacité de l'air pour contenir de la vapeur d'eau diminue ; il y a risque de condensation (nuages).
Cela explique aussi pourquoi nous avons une couverture nuageuse importante dans les zones de basses pressions (Dépression) et l'inverse dans les zones de hautes pressions (anticyclone).
En réalité les nuages n'ont pas vraiment de couleur ! Les différences que l'ont voit du sol sont en partie dues à l'absorption ou réfléchissement des rayons du soleil par la couche nuageuse.
Par absorption :
Plus un nuage est épais et dense en gouttelettes d'eau plus les rayons du soleil ont du mal à atteindre le sol
La base du nuage est alors grise voir très sombre proche du noir dans le cas de nuage de très grande épaisseur du type Cumulonimbus. Mais aussi quand ils sont dans l'ombre d'autres nuages.
Les jours de pluie ou de neige sont souvent sombres, car la lumière est tellement dispersée qu'une bonne partie ne réussit pas à traverser le nuage.
Par réfléchissement :
Les fines gouttelettes d'eau du nuage réfléchissent la lumière presque aussi efficacement que la neige. En fait, ces gouttelettes d'eau (ou les cristaux de glace), qui sont beaucoup plus grosses que les molécules d'air, ont la bonne dimension pour diffuser toutes les longueurs d'onde de la lumière dans toutes les directions. Résultat: on voit la lumière blanche (combinaison de toutes les longueurs d'onde) et les nuages sont blancs.
Les cumulus congestus et les cumulonimbus ont des protubérances très blanches.
La couleur rouge ou rose au soleil couchant provient de l'inclinaison des rayons solaires ( bas sur l'horizon) traversant des couches d'air humide.
