En météorologie, un nuage est une masse visible constituée initialement d'une grande quantité de gouttelettes d’eau (parfois de cristaux de glace associés à des aérosols chimiques ou des minéraux) en suspension dans l’atmosphère au-dessus de la surface d'une planète.
L’aspect d'un nuage dépend de la lumière qu’il reçoit, de la nature, de la dimension, du nombre et de la répartition des particules qui le constituent. Les gouttelettes d’eau d’un nuage proviennent de la condensation de la vapeur d’eau contenue dans l’air.
La quantité maximale de vapeur d’eau (gaz invisible) qui peut être contenue dans une masse d'air est fonction de la température : plus l’air est chaud, plus il peut contenir de vapeur d’eau.
Formation des nuages
La formation de nuages résulte du refroidissement d’un volume d’air jusqu’à la condensation d’une partie de sa vapeur d’eau. Si le processus de refroidissement se produit au sol (par contact avec une surface froide, par exemple), on assiste à la formation de brouillard. Dans l’atmosphère libre, le refroidissement se produit généralement par soulèvement, en vertu du comportement des gaz parfaits dans une atmosphère hydrostatique, selon lequel un gaz se refroidit spontanément lorsque la pression baisse. Les nuages peuvent aussi perdre une partie de leur masse sous forme de précipitations, par exemple sous forme de pluie, grêle ou neige.
La condensation de la vapeur d’eau, en eau liquide ou en glace, se produit initialement autour de certains types de microparticules de matière solide (aérosols), qu’on appelle des noyaux de condensation ou de congélation. La congélation spontanée de l’eau liquide en glace, dans une atmosphère très pure, ne se produit pas au-dessus de -40 °C. Entre 0 et -40 °C, les gouttes d’eau restent dans un état métastable (surfusion), qui cesse dès qu’elles rentrent 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 ». Ce mécanisme repose sur le fait que la pression partielle de saturation 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’eau surfondue, 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 précipitation : 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 la convection, à la présence de terrains montagneux faisant obstacle à l’écoulement de l’air ou à des facteurs de la dynamique atmosphérique, comme les ondes baroclines (aussi appelées « ondes frontales »).
Dissipation des nuages
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 une subsidence de l'air qui entraîne une compression adiabatique de celui-ci.
Types de nuages
Les nuages se forment selon deux processus : la convection et le soulèvement progressif de la masse 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 une extension verticale élevée, mais une extension horizontale limitée. Ces nuages sont désignés génériquement par le terme « cumulus ». Ils peuvent se développer à différents niveaux de la troposphère, là où l'instabilité existe.
Le soulèvement dit synoptique 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.
Classification troposphérique
Pour les types de nuages sans développement vertical important, cette nomenclature a été organisée selon la hauteur de leur base au-dessus du sol, non l'altitude de leur sommet, en quatre familles qui sont décrites ci-dessous. Chaque nuage d'une famille est rattaché à un genre et une espèce. Il peut également être associé à un descriptif supplémentaire appelé variété.
Genres
Les nuages dans l'Atlas international des nuages sont classés en 10 genres qui sont montrés dans l'image ci-contre12 :
3 genres «principaux» : Cirrus (nuages élevés), Stratus (nuages bas à développement horizontal), et Cumulus (nuages généralement bas à développement vertical) avec d'autres types dérivés ;
3 genres intermédiaires des 3 précédents : Cirrostratus, Cirrocumulus et Stratocumulus
4 genres dérivés des Cumulus et Stratus : Altocumulus et Altostratus pour les nuages dont la base est à plus de 2 km d’altitude, et de Cumulonimbus et Nimbostratus pour les nuages capables de donner de fortes précipitations13.
Espèces
Pour chaque genre de nuages, il a des subdivisions appelées espèces qui s'excluent mutuellement. Elles sont déterminées selon au moins une des caractéristiques suivantes14 :
1.Forme (nuages en bancs, en voile, en nappe, en couche, etc.) ;
2.Dimensions (surface des éléments constitutifs, extension verticale, etc.) ;
3.Structure interne (cristaux de glace, gouttelettes d'eau, etc.) ;
4.Processus physiques, connus ou présumés, qui peuvent intervenir dans leur formation (soulèvement orographique, avec précipitations, etc.).
Variétés
Chaque espèce et genre peut être divisé encore plus. Ces divisions sont nommées variétés et ne s'excluent pas mutuellement, sauf les variétés translucidus (translucide) et opacus (opaque). Elles sont déterminées selon l'une des deux caractéristiques suivantes:
1.Leur transparence (laissent apercevoir ou non complètement le Soleil ou la Lune) ;
2.L'agencement de leurs éléments macroscopiques.
Nuages annexes
En plus de cette classification formelle, il existe des nuages accompagnant un autre nuage, généralement plus petit que ce dernier, et séparés de sa partie principale ou parfois partiellement soudé à elle. Un nuage donné peut être accompagné d'un ou de plusieurs de ces nuages annexes dont les principaux sont 16 : l'arcus, l'entonnoir nuageux, le mur de foehn, le mamma, le nuage-mur (Wall cloud), le pannus, le pileus, le sommet protubérant et le velum. La traînée 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.
Nuages élevés
Ils se forment au-dessus de 5 000 mètres dans la région froide de la troposphère. Ils sont classés en utilisant le préfixe cirro- ou cirrus. À cette altitude, l'eau gèle quasiment toujours : les nuages sont donc composés de cristaux de glace.
Les nuages dans la famille A sont :
Genre cirrus : nuages non-convectifs;
- Espèces : cirrus castellanus, cirrus spissatus, cirrus fibratus, cirrus floccus, cirrus uncinus ;
- Variétés : cirrus intortus, cirrus Kelvin-Helmholtz, cirrus duplicatus, cirrus vertebratus, cirrus radiatus.
Genre cirrocumulus : nuages de convection limitée;
- Espèces : cirrocumulus castellanus, cirrocumulus floccus, cirrocumulus lenticularis, cirrocumulus stratiformis ;
- Variétés : cirrocumulus lacunosus, cirrocumulus undulatus.
Genre cirrostratus : nuages non-convectifs;
- Espèces : Cirrostratus fibratus, Cirrostratus nebulosus ;
- Variétés : cirrostratus duplicatus, cirrostratus undulatus.
Traînée de condensation : Pas un genre de l'OMM. Long et fin nuage formé après le passage d'un avion à haute altitude (appelé contrail en anglais). Il peut persister de quelques minutes à plusieurs heures selon la stabilité et l'humidité relative à la hauteur de production18.
