Pourquoi les nuages de pluie paraissent-ils noirs ?
― Il n'y a pourtant aucune peinture noire dedans
Les nuages blancs comme les nuages noirs sont faits des mêmes « petites gouttelettes d'eau ». Ce n'est pas la nature des gouttelettes qui crée la différence de couleur. C'est l'épaisseur du nuage, et la distance parcourue par la lumière du soleil à l'intérieur. Ces deux facteurs suffisent à faire passer un nuage du blanc au gris, puis au noir.
Par une belle journée ensoleillée, un nuage cotonneux flotte dans le ciel. Il est d'un blanc presque éblouissant.
Mais en fin d'après-midi, un autre nuage s'approche dans le même ciel. Sa base est grise, et le milieu paraît presque noir. On sent instinctivement : « celui-là va pleuvoir ».
C'est pourtant étrange. Personne n'a mélangé de peinture noire dans ce nuage. Les deux nuages sont en réalité formés des mêmes gouttelettes d'eau.
Seuls ces deux facteurs déterminent la couleur d'un nuage
Les gouttelettes du nuage renvoient la lumière dans toutes les directions. La majeure partie de la lumière renvoyée repart vers le haut. Donc plus le nuage est épais, moins la lumière parvient jusqu'au sol.
Nous ne regardons pas le nuage seul. Nous le voyons en même temps qu'un ciel éclatant ou le sommet blanc et brillant d'un autre nuage. Placé à côté, un gris à peine sombre paraît « noir ».
Autrement dit, la couleur d'un nuage ne dépend pas de sa nature propre, mais du chemin qu'a emprunté la lumière avant d'atteindre notre œil. Voyons cela dans l'ordre.
Les gouttelettes du nuage ne font pas de tri entre les couleurs
Le ciel est bleu parce que les molécules d'air sont minuscules et diffusent particulièrement bien la lumière bleue. Or les gouttelettes d'un nuage sont bien plus grosses : ce sont des gouttes d'eau, aussi grandes, voire plus grandes, que la longueur d'onde de la lumière visible.
À cette taille, les différences selon la couleur disparaissent presque entièrement. Le rouge, le vert et le bleu sont renvoyés de la même façon. Le mélange de toutes les couleurs donne du blanc. C'est pour cela que les nuages sont blancs, que le brouillard est blanc, et que la glace pilée est blanche.
Si c'est le cas, le même phénomène doit se produire à l'intérieur d'un nuage noir. Ce qui change, c'est le « nombre de fois » où la lumière est renvoyée.
Dans un nuage épais, la lumière se perd
La lumière qui pénètre dans un nuage ne peut pas avancer en ligne droite. Chaque fois qu'elle heurte une gouttelette, elle change de direction, puis heurte une autre gouttelette. À force d'aller et venir, une grande partie de la lumière repart dans la direction d'où elle est venue, c'est-à-dire vers le haut.
Dans un nuage fin, quelques rebonds suffisent pour que la lumière traverse jusqu'en bas. Vu d'en dessous, le nuage reste donc d'un blanc lumineux. Mais quand le nuage s'épaissit, la quantité de lumière qui parvient jusqu'en bas diminue rapidement. Regardez la figure 1. À gauche, dans le nuage fin, la lumière traverse jusqu'en bas ; à droite, dans le nuage épais, la plupart des flèches repartent vers le haut.
Vu d'un avion, ce même nuage observé par-dessus ressemble à un tapis blanc éblouissant. Un même nuage paraît blanc vu d'en haut et noir vu d'en bas. C'est la meilleure preuve que le nuage ne absorbe pas la lumière, mais la renvoie.
L'autre raison se trouve dans nos yeux
L'œil humain n'est pas un appareil qui mesure une luminosité absolue. Il juge « clair » ou « sombre » par comparaison avec l'environnement. Un même gris paraît sombre à côté d'un objet blanc, et clair à côté d'un objet sombre.
La base d'un nuage se trouve généralement dans notre champ de vision aux côtés d'un ciel lumineux ou du sommet blanc et brillant d'un autre nuage. C'est pourquoi une zone qui n'est en réalité que grise nous paraît clairement « noire ». En photographiant la scène et en mesurant la luminosité, on constate souvent que ce n'est pas aussi sombre qu'on le pensait.
Lorsque les gouttelettes d'eau du nuage grossissent pour devenir des gouttes de pluie, leur nombre diminue fortement pour une même quantité d'eau. La surface totale qui bloque la lumière diminue aussi, donc la lumière passe en réalité plus facilement. Si un nuage menaçant reste sombre, c'est parce qu'au moment où les gouttelettes grossissent, le nuage lui-même est devenu très épais. L'effet de l'épaisseur l'emporte largement.
Au coucher du soleil, la lumière traverse une couche d'air bien plus longue pour nous parvenir. La lumière bleue est diffusée en chemin, et il ne reste que la lumière teintée de rouge, qui frappe la base des nuages. Pour un même nuage, si la couleur de la lumière qui l'éclaire change, la couleur perçue change aussi.
En résumé
Un nuage est un amas de gouttelettes d'eau blanches, qui renvoient la lumière sans faire de tri entre les couleurs. Le nuage lui-même ne contient donc aucun composant noir. Quand il s'épaissit, la lumière est renvoyée de nombreuses fois vers le haut à l'intérieur, et seule une infime part atteint le bas. À cela s'ajoute l'effet de comparaison avec la luminosité environnante, qui fait paraître la base du nuage noire.
Un nuage noir n'est pas un nuage qui a changé de couleur.
C'est un nuage blanc épais où la lumière ne parvient plus à descendre jusqu'en bas.
Le mécanisme des couleurs du ciel est expliqué en détail dans Pourquoi le ciel est-il bleu alors que le crépuscule est rouge ?. Pour savoir comment naissent les gouttelettes des nuages et pourquoi elles ne tombent pas, voyez Un nuage est une masse d'eau : pourquoi ne tombe-t-il pas ?. Le même mécanisme de « diffusion qui blanchit » est traité dans La glace est transparente : pourquoi la neige paraît-elle blanche ?. Et l'histoire de l'altitude des nuages qui change selon les saisons est abordée dans Pourquoi le ciel d'automne paraît-il plus haut qu'en été ?.
- Versez de l'eau dans un verre et ajoutez-y une seule goutte de lait, puis remuez. Vous obtenez une eau blanchâtre : une miniature de nuage.
- Éclairez le verre par le dessus et regardez-le de côté. Le haut est lumineux, et plus on descend vers le fond, plus c'est sombre. C'est l'effet de l'épaisseur.
- Ajoutez encore quelques gouttes de lait : l'écart entre le haut et le bas s'accentue encore. Bien que ce soit la même trouble blanche, le fond paraît s'enfoncer dans le gris.
On peut vérifier la même chose dans le ciel. Lorsqu'un nuage épais passe au-dessus de vous, cherchez les bords fins du nuage : eux seuls brillent d'un blanc lumineux.
Pour aller plus loin ― termes, formules et liens avec les manuels scolairesDu collège jusqu'aux matières universitaires spécialisées, le niveau de chaque section est indiqué
- CollègeCe qu'on apprend en sciences au collège
- LycéeCe qu'on apprend en « Physique fondamentale (lumière et ondes) » au lycée
- Lycée+Contenu avancé du lycée, ou encadré de manuel
- UniversitéContenu non enseigné au lycée, relevant d'une matière universitaire spécialisée (physique du rayonnement atmosphérique)
- RechercheSujet que même l'université n'enseigne pas comme « établi » : les chercheurs l'étudient encore actuellement
CollègeVocabulaire : ce phénomène a un nom
- Diffusion de Mie : type de diffusion qui se produit lorsque la taille des gouttelettes est égale ou supérieure à la longueur d'onde de la lumière. Les différences entre couleurs sont quasi nulles, ce qui donne un aspect blanchâtre.
- Diffusion multiple : la lumière n'est pas diffusée une seule fois par une gouttelette, mais diffusée à répétition par une gouttelette après l'autre. C'est ce qui se produit à l'intérieur d'un nuage épais.
- Épaisseur optique : indicateur de la mesure dans laquelle la lumière est bloquée en traversant un objet. Elle dépend de l'épaisseur du nuage et du nombre de gouttelettes.
- Albédo (réflectivité) : proportion de la lumière incidente qui est renvoyée. Sur la face supérieure d'un nuage bien développé, cette valeur est très élevée.
CollègeLycéeVérification par le calcul : que devient l'obscurité quand l'épaisseur double ?
Prenons un modèle simple : à chaque distance fixe parcourue dans le nuage, la lumière descendante est réduite de moitié. Ici, on suppose que c'est le cas tous les 100 mètres. Ce n'est pas une propriété réelle exacte des nuages, mais un repère pour saisir l'effet de l'épaisseur.
| En notation symbolique | I ＝ I0 × ( 1/2 ) ^ ( L ÷ h ) |
| En mots | Lumière atteignant le bas ＝ lumière au sommet du nuage × proportion obtenue en répétant « moitié » « (épaisseur du nuage ÷ distance de division par deux) » fois |
| D'où vient cette formule | L'idée est que la lumière diminue de la même proportion à chaque distance égale parcourue. C'est la « loi de Beer-Lambert », qui décrit l'affaiblissement de la lumière, réécrite en fonction de la distance de division par deux. |
| Symbole | Signification et unité |
| I0 | Intensité de la lumière au sommet du nuage (référence égale à 1) |
| I | Intensité de la lumière atteignant le bas du nuage (même unité que I0) |
| L | Épaisseur du nuage (mètres) |
| h | Distance à laquelle la lumière est divisée par deux (mètres) |
| Valeur utilisée à la place du symbole : épaisseur type d'un nuage moyennement épais | 500 mètres |
| Épaisseur type d'un nuage bien développé | 1000 mètres |
| Distance de division par deux (hypothèse de ce modèle). Unité de longueur : le mètre | 100 mètres |
| Pour un nuage de 500 mètres, nombre de divisions par deux | 500 ÷ 100 ＝ 5 |
| Après 2 divisions par deux, fraction du départ | 2 × 2 ＝ 4 |
| Après 3 fois | 4 × 2 ＝ 8 |
| Après 4 fois | 8 × 2 ＝ 16 |
| Après 5 fois | 16 × 2 ＝ 32 |
| Proportion de lumière atteignant le bas | 1 ÷ 32 ≒ 0,03 |
| Converti en pourcentage | 0,03 × 100 ＝ 3 |
Environ 3 pour cent de la lumière atteint donc le bas. Le même calcul pour un nuage de 1000 mètres donne 10 divisions par deux, et la lumière qui atteint le bas n'est plus qu'environ un millième, soit 0,1 pour cent. En doublant simplement l'épaisseur, l'obscurité s'accentue de façon spectaculaire. C'est cette chute abrupte qui fait paraître la base des nuages noire.
LycéeLycée+Relation entre taille des gouttelettes et mode de diffusion
LycéeLa façon dont la lumière est diffusée dépend du rapport entre la taille des gouttelettes et la longueur d'onde de la lumière. Quand les gouttelettes sont bien plus petites que la longueur d'onde, les ondes courtes sont diffusées plus fortement, ce qui rend le ciel bleu. Quand les gouttelettes sont de taille égale ou supérieure à la longueur d'onde, toutes les couleurs sont diffusées de façon quasi identique. Les gouttelettes des nuages appartiennent à ce second cas.
Lycée+Le diamètre des gouttelettes d'un nuage est estimé à environ 0,01 millimètre. La longueur d'onde de la lumière visible n'en représente qu'environ un centième. À ce rapport, les différences entre couleurs disparaissent presque totalement. Les gouttes de pluie, elles, atteignent environ 1 millimètre de diamètre. Pour une même quantité d'eau, plus les gouttelettes sont grosses, plus la surface totale diminue, et plus la capacité à bloquer la lumière diminue.
UniversitéVu sous l'angle du transfert radiatif
En physique du rayonnement atmosphérique, la lumière traversant un nuage est traitée par l'équation du transfert radiatif. À l'intérieur d'un nuage, la diffusion est bien plus forte que l'absorption, et pour la lumière visible, l'absorption est considérée comme quasiment négligeable. Autrement dit, le nuage n'éteint pas la lumière : il change simplement sa direction. La proportion de lumière renvoyée par la face supérieure d'un nuage bien développé est très élevée, ce qui réduit d'autant la quantité atteignant la face inférieure. Ce comportement est considéré comme un facteur important dans l'estimation des échanges thermiques de la Terre à l'échelle globale. Le cas simplifié qui ne considère que l'absorption en ignorant la diffusion correspond à la « loi de Beer-Lambert » utilisée dans le calcul ci-dessus. Pour les nuages, on résout l'équation du transfert radiatif en y ajoutant l'effet de diffusion, et l'épaisseur du nuage est exprimée par une grandeur appelée « épaisseur optique ».
📖 Pour la dérivation des formules et pour aller plus loin : Loi de Beer-Lambert (Wikipédia japonais)
RechercheCe qui n'est pas encore bien compris
- Comment traiter les hétérogénéités internes d'un nuage Un nuage réel n'est pas uniforme : des zones denses et des zones fines s'y entremêlent. L'influence de cette « hétérogénéité » sur la quantité totale de lumière renvoyée par l'ensemble du nuage reste, encore aujourd'hui, difficile à estimer.
- Influence des particules fines en suspension Quand l'air contient beaucoup de particules fines, les gouttelettes d'eau se forment plus petites et plus nombreuses. La manière dont cela modifie la luminosité et la durée de vie des nuages est considérée comme l'une des grandes incertitudes des prévisions climatiques.
- Précision de l'estimation de l'épaisseur par satellite On utilise des méthodes qui estiment l'épaisseur du nuage et la quantité d'eau à partir de la luminosité observée d'en haut. Mais pour les nuages fins ou irréguliers, cette estimation conserve une marge d'erreur non négligeable.
Autrement dit, le contenu de cet article aussi n'est « qu'une explication dans les limites de ce qui est connu aujourd'hui ». Un sujet aussi familier que la couleur des nuages rejoint ainsi le front de la recherche climatique.
Liens avec les manuels scolaires (par niveau)
| Niveau | Matière / unité | Où dans cet article |
|---|---|---|
| Collège | Sciences : réflexion de la lumière / observation météorologique | Comment les gouttelettes du nuage renvoient la lumière |
| Lycée | Physique fondamentale : lumière et ondes | Relation entre taille des gouttelettes et mode de diffusion |
| Lycée+ | Physique / sciences de la Terre avancées / encadré | Taille des gouttelettes et surface totale |
| Université | Physique du rayonnement atmosphérique / météorologie | Transfert radiatif et albédo des nuages |
| Recherche | Sciences du climat / observation satellite | Hétérogénéité des nuages et influence des particules fines |
| ― | Lien avec la vie quotidienne | Un repère pour deviner, en levant les yeux, s'il va pleuvoir |
- Site de l'Agence météorologique japonaise, page « Types de nuages » (気象庁ホームページ「雲の種類」, Agence météorologique du Japon) et autres pages explicatives sur les nuages.
- Ogura Yoshimitsu, *Météorologie générale* (小倉義光『一般気象学』, University of Tokyo Press) — chapitre sur la taille et la croissance des gouttelettes de nuage et sur les propriétés optiques des nuages.
- Shibata Kiyotaka, *Météorologie de la lumière* (柴田清孝『光の気象学』, Asakura Publishing) — bases de la diffusion atmosphérique et du transfert radiatif.
- Grant W. Petty, *A First Course in Atmospheric Radiation*, Sundog Publishing (introduction à la diffusion et au transfert radiatif).
※Cet article est une vulgarisation scientifique destinée au grand public. Les valeurs indiquées sont des ordres de grandeur destinés à faire comprendre le mécanisme. Pour décider de votre conduite selon l'état du ciel, suivez les informations et consignes officielles les plus récentes publiées par l'Agence météorologique ou les autorités locales.