Escale 4 : Est ce que les nuages ont une significationparticulière ?

Le cycle de l’eau

L’eau existe sous 3 états physiques : solide, liquide, gaz (vapeur d’eau). Au cours du cycle de l’eau, l’eau va changer d’état physique.

Les changements d’état s’accompagnent d’une absorption ou d’une libération de chaleur suivant le sens dans lequel ils s’exercent.
Les quantités de chaleur absorbées ou libérées sont intégralement restituées lors des transformations inverses.

Le cycle de l’eau est composé de différentes étapes : l’évaporation et l’évapotranspiration, la condensation, les précipitations, le ruissellement, l’infiltration.

L’évaporation (1) : par action du rayonnement solaire, l'eau contenue dans les mers, les océans, les rivières, les fleuves, les lacs va s'évaporer. L’eau passe de l'état liquide à l'état gazeux (vapeur d'eau). La quantité de vapeur d'eau que l'air peut contenir dépend de sa température. Plus il est chaud, plus il peut contenir de vapeur d'eau.
La vapeur d'eau est invisible (la « fumée » que l'on observe au dessus d'un liquide en ébullition est de l'eau condensée en fines gouttelettes et non pas de la vapeur).

L’évapotranspiration (1’) : une partie de l’eau qui s’est infiltrée va être absorbée par les plantes. Sous l’action du rayonnement solaire, les plantes transpirent. L’eau sous forme liquide s’évapore et se transforme en vapeur d’eau.

La condensation (2) : elle peut résulter d’un refroidissement ou d'un enrichissement en vapeur d'eau. La condensation ne peut se produire, qu’en présence de microparticules solides dans l'atmosphère. Ces particules servent de support à cette condensation. On les appelle noyaux de condensation. Dans la plupart des cas, se sont des cristaux de sel marin (embruns). On trouve aussi des poussières, du sable, des résidus de combustion.

Les précipitations (3) : il y a précipitation quand les gouttelettes sont trop lourdes pour être « portées » par l'air. Le grossissement des gouttelettes se fait soit par augmentation de la condensation, soit par réunion de gouttelettes (coalescence) due aux mouvements d'air dans le nuage. Selon la température, les précipitations sont sous forme de pluie, de neige ou de grêle. Les flocons de neige sont constitués par un ensemble de cristaux de glace. La grêle provient de nuages à forte instabilité (les Cumulonimbus).

Le ruissellement (4) : une partie des précipitations arrivant sur le sol va glisser le long de la pente et former ou rejoindre des cours d’eau puis par la suite, la mer ou l’océan. L’eau, sous forme liquide, va s’évaporer sous l’action du rayonnement solaire.

L’infiltration (5) : une partie des précipitations arrivant sur le sol va s’infiltrer et rejoindre des rivières souterraines. A l’issue d’un trajet plus ou moins long sous terre, l’eau va se retrouver dans les cours d’eau grâce aux résurgences.

Le mécanisme de formation des nuages

Le refroidissement est la cause principale de la formation des nuages.Les nuages sont composés de divers éléments : de l’air sec, de la vapeur d’eau saturante, de l’eau sous forme liquide et (ou) solide, des particules solides. Les nuages résultent de la condensation de la vapeur d’eau contenue dans l’air autour de particules solides appelées noyaux de condensation ou noyaux glaçogènes.
On parle de noyaux de condensation lorsque les gouttelettes d’eau se condensent autour de particules solides telles que le sel marin, la suie volcanique, les cristaux de sable, la pollution, les combustions industrielles.
On utilise le terme de noyaux glaçogènes quand les gouttelettes d’eau cristallisent autour de particules solides telles que les cendres volcaniques, la suie ou le sable.

Sur cette photo, on observe des nuages de couleur rose. Cette coloration est due aux noyaux de condensation qui sont constitués par du sable rouge provenant du désert.

La concentration de ces noyaux est très forte dans les basses couches de l’atmosphère et en particulier au dessus des zones côtières (cristaux de sel) et des zones industrialisées (pollution).
Sans ces noyaux, il n’y a pas de condensation possible même dans le cas d’un air saturé et humide. C’est le phénomène de « sursaturation ». En altitude (6000 à 7000 mètres), ce phénomène est courant. Seul l’apport de noyaux de condensation en très grand nombre peut permettre la formation de nuages.
Après le passage d’un avion, on observe une traînée de condensation due à l’apport de noyaux de condensation provenant des gaz d’échappement des réacteurs.

Les nuages sont maintenus en suspension dans l’air car les éléments qui les composent sont animés d’un mouvement de chute très lent du à leur faible masse volumique et à la résistance de l’air. Le moindre courant ascendant suffit à les maintenir en équilibre ou à les soulever. A l’intérieur du nuage, les particules aqueuses évoluent constamment. Elles peuvent changer d’état physique.

Les différents genres de nuages (X)

Les nuages sont en perpétuelle évolution et se présentent sous de nombreuses formes. Les nuages sont classés en genres, en espèces et en variétés. Il existe 10 genres de nuages. Les nuages sont situés dans la troposphère. La troposphère est découpée en 3 étages (les niveaux d’altitude varient selon la latitude).

Les nuages de l’étage supérieur (X)

L’étage supérieur se situe entre 5 et 13 kilomètres d’altitude. Les nuages sont constitués de cristaux de glace. La température est comprise entre -25°C et -55°C.

Il se situe à une hauteur de 8000 mètres. La hauteur correspond à la distance verticale entre le lieu d’observation et le niveau du point observé.
Il est composé de cristaux de glace très petits et relativement clairsemés. Il a un aspect chevelu. En Méditerranée, des cirrus situés vers l’Ouest sont souvent annonciateurs d’un coup de mistral. En dessous du nuage, l’air est limpide.

Il est composé de cristaux de glace et parfois de gouttelettes d’eau fortement surfondues. Il est constitué de petits éléments blancs soudés ou non.
Les Cirrocumulus peuvent être en banc, en couche mince de nuages blancs ou en nappe.
La base de ces nuages se situe en moyenne à 6 kilomètres d’altitude (entre 5 et 7 kilomètres). En dessous du nuage, l’air est limpide.

Il est composé de cristaux de glace. Les Cirrostratus forment un voile nuageux transparent et blanchâtre d’aspect fibreux ou lisse, couvrant tout ou partie du ciel. On aperçoit un halo.
La base de ces nuages se situe en moyenne à 6 kilomètres d’altitude. En dessous du nuage, l’air est limpide.

Les nuages de l’étage moyen (X)

Les nuages de l’étage moyen se trouvent entre 2 et 7 kilomètres d’altitude.
Les nuages sont constitués de cristaux de glace et de gouttelettes d’eau. La température est comprise entre 2°C et -30°C.

Les Altocumulus sont constitués de gouttelettes d’eau surfondues et parfois de cristaux de glace quand la température est très basse. Ils ont une épaisseur inférieure à 500 mètres. Ils sont composés d’éléments séparés blancs ou gris. Ils peuvent être en nappe ou en couche. Ces éléments peuvent avoir la forme de lamelles, de galets ou de rouleaux et donner l’aspect d’un ciel moutonné.

Ils peuvent également se présenter sous forme lenticulaire (vent en altitude) ou Mamma (risque d’averse).
La base de ces nuages se situe en moyenne à 3,5 kilomètres d’altitude (entre 2000 et 6000 mètres). En dessous du nuage, l’air est limpide.

Il peut déborder dans l’étage supérieur car son épaisseur peut atteindre 4000 mètres.
Les Altostratus peuvent être constitués de gouttelettes d’eau (surfondue ou non), de gouttes de pluie, de cristaux de glace, de cristaux de neige ou de flocons de neige ou par un mélange de ces particules liquides et solides. Ils ont une épaisseur variant de 1000 à 5000 mètres.
La base de ces nuages se situe en moyenne à 3,5 kilomètres d’altitude (entre 2000 et 5000 mètres).

Les Altostratus peuvent être en nappe ou en couche généralement continue ; de couleur grisâtre ou bleuâtre ; d’aspect strié, fibreux ou uniforme. On peut vaguement distinguer le soleil au travers.
En dessous du nuage, l’air est limpide sauf dans le cas où il y a des précipitations.

Les précipitations sont sous forme continue (pluie, neige ou glace) n’atteignant pas toujours le sol (virga).

Les nuages de l’étage inférieur (X)

Les nuages de l’étage inférieur se rencontrent entre le sol et 2 kilomètres d’altitude.
Les nuages sont constitués de gouttelettes d’eau. La température est supérieure ou égale à 0°C.

C’est un nuage stratiforme associé à une stabilité verticale.Les Stratocumulus sont constitués de gouttelettes d’eau, parfois accompagnés de gouttes de pluie ou de neige roulée, très rarement de cristaux de neige ou de flocons de neige. Ils forment une nappe ou une couche continue d’éléments soudés gris et (ou) blanchâtres. Ces éléments peuvent être en forme de dalles, de galets ou de rouleaux. La base de ces nuages se situe entre 400 mètres et 2 kilomètres d’altitude.

Sous le nuage, l’air est limpide. Ils ont une épaisseur variant de 500 à 1000 mètres. Ils peuvent former une mer de nuage (il peut y avoir de la bruine dessous).

Il peut déborder dans l’étage moyen et dans l’étage supérieur car son extension verticale avoisine parfois les 5000 mètres. Il recouvre en général une vaste région. Il résulte souvent de l’épaississement d’un Altostratus.
Les Nimbostratus sont constitués de gouttelettes d’eau (parfois surfondue) et de gouttes de pluie, par des cristaux et des flocons de neige ou par un mélange de ces particules liquides et solides.
Ils forment une couche nuageuse continue grise et souvent sombre dont l’aspect est rendu flou par des chutes plus ou moins continues de pluie ou de neige qui atteignent le sol dans la plupart des cas.

L’épaisseur de cette couche est partout suffisante pour masquer complètement le soleil. Il existe fréquemment sous cette couche des nuages bas déchiquetés, soudés ou non avec elle. Ils génèrent des fortes précipitations à caractère continu sous forme de pluie, de neige ou de glace atteignant le sol.

C’est un nuage stratiforme associé à une stabilité verticale. La base de ce nuage varie entre 20 et 500 mètres d’altitude. Son épaisseur peut varier d’une dizaine de mètres à plusieurs centaines de mètres. Ils forment une couche nuageuse continue et grise souvent étendue. Ils sont constitués de petites gouttelettes d’eau et parfois de particules de glace. Sous ces nuages, l’air est souvent brumeux. Ils peuvent donner lieu à des précipitations faibles et continues sous forme de bruine ou de neige en grain.

Le brouillard est un Stratus qui touche le sol.

Les nuages isolés à développement vertical (X)

Les nuages isolés à développement vertical sont des nuages convectifs. Leurs bases se situent dans l’étage inférieur, leurs sommets peuvent atteindre l’étage moyen voir même l’étage supérieur.

Les Cumulus sont sous forme d’individus séparés, généralement denses et à contours bien délimités, se développant verticalement en forme de mamelons, de dômes ou de tours, dont la région supérieure bourgeonnante ressemble à un chou fleur. Il en existe 4 espèces.

Le Cumulus humilis, à faible extension verticale, se situe dans l’étage inférieur. Il apparaît sur les reliefs quand s’enclenche le phénomène de brise thermique diurne. Son extension est maximale en milieu d’après midi. C’est un nuage de beau temps. Il est composé de gouttelettes d’eau.

Le Cumulus fractus, à faible extension verticale, est souvent présent sous les nuages entraînant des précipitations (Altostratus, Nimbostratus, Cumulonimbus).

Le Cumulus mediocris, à extension verticale modérée, peut déborder dans l’étage moyen. Il est constitué de cristaux de glace dans sa partie supérieure et de gouttelettes d’eau dans sa partie inférieure.

Le Cumulus congestus, à forte extension verticale, peut atteindre l’étage supérieur. Il est constitué de cristaux de glace dans sa partie supérieure et de gouttelettes d’eau dans sa partie inférieure.
Il peut générer des précipitations sous forme d’averse et évolue fréquemment en Cumulonimbus.

Le Cumulonimbus peut déborder dans l’étage supérieur. Il en existe 2 espèces. La base de ce nuage se situe entre 300 et plus de 2000 mètres d’altitude.
L’extension verticale peut varier de 5000 à 12000 mètres. Ils sont constitués de gouttelettes d’eau (surfondue ou non) et de cristaux de glace dans la partie supérieure.
Ce sont des nuages denses et puissants à très forte extension verticale. Ils sont en forme de montagnes ou de tours.Ils présentent de très gros contrastes de luminance (les parties directement éclairées par le soleil sont d’un blanc éblouissant). La partie supérieure est en forme d’enclume. Au dessous de la base du nuage, il existe très fréquemment des nuages bas déchiquetés, soudés ou non avec elle, et des précipitations parfois sous forme de virgas.

Sous ces nuages, l’air est limpide en dehors de zones de précipitations.
Ils peuvent se présenter soit isolement, soit disposés en file continue semblable à une vaste muraille.

Les précipitations sont sous forme de d’averses de pluie, de neige, de neige roulée, de grésil ou de grêle.
Ces précipitations peuvent être accompagnées de grains ou d’orages.

La formation et l’évolution d’une perturbation en zone tempérée (X)

Les zones tempérées sont des zones intermédiaires entre le climat polaire très froid (au delà de 60°N ou 60°S) et le climat tropical (au Sud du 30°N ou 30°S). La circulation atmosphérique générale est à dominante Ouest (de l’Atlantique vers l’Europe).

Les perturbations se développent dans la zone de rencontre entre l’air polaire et l’air tropical. Elles se matérialisent par des nuages et des précipitations. Au cours de leur évolution, les perturbations sont associées à des dépressions.

L’air froid se dirige vers le Sud, tandis que l’air chaud remonte vers le Nord. Au point de rencontre de ces deux masses d’air, l’air chaud est rejeté en altitude par l’air froid qui est plus dense.
Le « départ » de l’air chaud crée un vide qui correspond à une zone de basse pression. L’air froid va venir « combler ce trou ».
La force de Coriolis va dévier ce courant vers la droite dans l’hémisphère Nord.
L’air froid va tourner autour de la dépression dans le sens inverse des aiguilles d’une montre.

On peut suivre le déplacement et l’évolution d’une perturbation sur les cartes et sur les images satellites.
Les perturbations sont des phénomènes météorologiques qui se développent à l’échelle synoptique. Elles ont une dimension comprise entre 100 et 1000 kilomètres et une durée de vie de quelques jours.
On peut mesurer leur évolution avec un réseau de stations météorologiques.

La formation d’une perturbation s’appelle la frontogenèse. Elle débute lors de la rencontre de l’air froid et de l’air chaud. Deux masses d’air de caractéristiques physiques différentes ne peuvent pas se mélanger.
La limite au sol entre ces deux masses d’air est appelée un front. Il existe trois types de fronts :

A partir du moment où la perturbation perd de son activité (dès l’occlusion), débute la phase de frontolyse.
La plupart des perturbations qui arrivent sur l’Europe sont déjà en phase de frontolyse.

La position des différents fronts est indiquée sur les cartes isobariques.
Au passage d’un front actif, on observe une nette rotation du vent, des rafales, une variation de température et des précipitations marquées.
Les pseudo fronts représentent la zone de transition de la masse d’air. On enregistre une variation de la température, peu ou pas de rotation du vent et des précipitations nulles ou très faibles.

Quand plusieurs perturbations atteignent la France, on leur attribue une lettre majuscule qui permet de suivre leur évolution. La perturbation qui se trouve le plus à l’Est est la plus ancienne.Sur la carte ci-dessous, on observe 3 perturbations intéressant la France appelées respectivement Q (la plus ancienne), R et S.

Les différentes parties d’une perturbation (X)

La perturbation est composée de trois parties différentes : la tête, le corps et la traîne.

La masse nuageuse est représentative de ce qui se passe en altitude. En fonction de la structure de la masse d’air chaud (stable ou instable), on va trouver des nuages de type stratiforme ou cumuliforme dans la tête et dans le corps de la perturbation.
La traîne est toujours constituée par des nuages cumuliformes.

Elle est constituée par des nuages élevés.
On observe des Cirrus puis des Cirrostratus ou des Cirrocumulus (en fonction de la structure de la masse d’air chaud). Quelques petits Cumulus évoluent sous les nuages d’altitude.

Il représente la partie la plus étendue de la perturbation. Il englobe la masse nuageuse présente à l’avant du front chaud, le front chaud, le secteur chaud et le front froid.
Le corps de la perturbation est caractérisé par des nuages épais et des précipitations.
Il débute avec l’apparition des nuages de l’étage moyen (Altostratus ou Altocumulus) associés à des Stratocumulus.

A l’approche du front chaud, la masse nuageuse s’épaissit et il commence à pleuvoir. On observe la présence d’Altostratus et de Nimbostratus ou d’Altocumulus et de Cumulonimbus.

Le passage du front chaud est caractérisé par des fortes précipitations sous forme d’averses (Nimbostratus) ou d’orages (Cumulonimbus).

Le secteur chaud est constitué par des Stratus (air chaud stable) ou des Cumulonimbus (air chaud instable). Le type de précipitation dépend des nuages présents (bruine avec les Stratus, orage avec les Cumulonimbus).

Au passage du front froid, on retrouve le même type de nuages qu’au passage du front chaud (Altostratus - Nimbostratus ou Altocumulus – Cumulonimbus) et de fortes précipitations.

Elle est située à l’arrière du front froid, il s’y développe des nuages de type Cumulus et Cumulonimbus.
Le temps est variable avec des alternances d’éclaircies et de précipitations sous forme d’averse.

Le passage d’une perturbation (X)

Selon la saison et leur origine, les masses d’air chaud sont plus ou moins instables.

Le dessin représente la succession des masses nuageuses que l’on peut observer lors du passage d’une perturbation classique d’Ouest non occluse avec une masse d’air chaud stable.
La perturbation se déplace d’Ouest en Est. Le sens de déplacement de la perturbation ainsi que l’orientation des pentes des fronts est représenté pour un observateur placé face au Nord.

Le type de temps associé au passage de la perturbation classique d’Ouest avec une masse d’air chaud stable :