Combien pèse un nuage ?
― Même un petit nuage cotonneux contient l'équivalent en eau de 100 éléphants
Un nuage blanc flotte dans le ciel bleu. Il a l'air si léger, si duveteux, qu'on croirait qu'il ne pèse rien. Pourtant, le calcul montre qu'un seul petit nuage cotonneux contiendrait environ 500 tonnes d'eau. Et la vraie surprise vient ensuite : l'air, au même endroit, est encore environ 2000 fois plus lourd que cette eau.
Un après-midi d'automne ensoleillé, allongé sur l'herbe d'un parc, vous levez les yeux vers le ciel. Des nuages blancs, en forme de moutons, dérivent lentement.
Un enfant vous demande : « Un nuage, ça pèse combien de kilos ? » Comme ça ressemble à de la barbe à papa, on serait tenté de répondre : quelques kilos, tout au plus.
Mais un nuage, en réalité, c'est fait de gouttelettes d'eau. Pour une masse aussi grande, la quantité d'eau ne peut pas être négligeable. Comptons-la vraiment.
Le poids d'un nuage ne dépend que de deux nombres
Dans un nuage, un mètre cube d'air ne contiendrait au total qu'environ 0,5 gramme de gouttelettes d'eau. Soit la moitié du poids d'une pièce de 1 yen.
Même un petit nuage cotonneux mesure environ 1 kilomètre en longueur, largeur et hauteur. Cela représente un milliard de boîtes d'un mètre cube alignées.
Une toute petite quantité d'eau, multipliée par un nombre gigantesque : voilà tout le secret du poids d'un nuage. C'est justement dans la multiplication d'un petit nombre par un très grand nombre que notre intuition se trompe le plus facilement.
Un milliard de fois la moitié d'une pièce de 1 yen
Quand on est à l'intérieur d'un nuage, le mètre cube d'espace devant soi ne contient qu'environ 0,5 gramme d'eau. C'est pour cela qu'on ne finit pas trempé, même enveloppé de brouillard en montagne.
Mais pour le nuage entier, tout change. Un cube d'un kilomètre de côté contient un milliard de boîtes d'un mètre cube. Un milliard de fois 0,5 gramme, cela fait 500 millions de grammes. Soit environ 500 tonnes — l'équivalent d'environ 100 éléphants, en comptant 5 tonnes par éléphant.
La figure 1 montre à gauche ce nuage dans son ensemble, et à droite la boîte d'un mètre cube qu'on en a extraite. Un chercheur d'un institut américain de recherche atmosphérique aurait estimé, avec le même raisonnement, qu'un nuage cotonneux pèse environ 500 000 kilogrammes.
500 tonnes, et pourtant il ne tombe pas — pourquoi ?
Regardez à nouveau les barres horizontales à droite de la figure 1. Dans cette même boîte d'un mètre cube, l'air lui-même pèse environ 1 kilogramme. À l'altitude d'un nuage, l'air est un peu plus léger qu'au sol, mais il reste tout de même environ 2000 fois plus lourd que l'eau.
Autrement dit, un nuage n'est pas tant « une masse d'eau flottant dans le ciel » qu'« de l'air mêlé d'une toute petite quantité de gouttelettes d'eau ». L'air d'un nuage entier pèse environ un million de tonnes. Les 500 tonnes d'eau ne font que s'y disperser en une fine couche.
De plus, chaque gouttelette d'eau est minuscule : son diamètre ne vaut qu'environ un cinquième de l'épaisseur d'un cheveu. Une gouttelette aussi petite subit une forte résistance de l'air et ne tomberait qu'à une vitesse d'environ 1 centimètre par seconde. Or, sous le nuage, un courant d'air ascendant, plus rapide que cette chute, souffle en permanence vers le haut. Les gouttelettes sont ainsi retenues avant d'avoir fini de tomber, ou s'évaporent dans l'air sec plus bas.
Ce mécanisme est détaillé dans « Pourquoi un nuage, qui est une masse d'eau, ne tombe-t-il pas ? ».
Les cumulonimbus estivaux dépassent 10 kilomètres de hauteur et contiennent encore plus de gouttelettes d'eau qu'un nuage cotonneux. Un seul cumulonimbus contiendrait, dit-on, de plusieurs centaines de milliers de tonnes à plus d'un million de tonnes d'eau. Si une averse d'été peut transformer une rue en rivière en quelques instants, c'est parce que toute cette eau tombe en très peu de temps.
Plus un nuage contient d'eau par mètre cube, moins il laisse passer la lumière. Si les nuages annonciateurs de pluie paraissent sombres, c'est parce qu'ils contiennent plus d'eau et sont plus épais. Pour en savoir plus, voir « Pourquoi les nuages annonciateurs de pluie paraissent-ils sombres ? ».
En résumé
Le poids d'un nuage s'obtient en multipliant la quantité d'eau par mètre cube (environ 0,5 gramme) par le volume du nuage (environ un milliard de mètres cubes pour un nuage cotonneux). Le résultat avoisine 500 tonnes, soit environ 100 éléphants. Et si le nuage reste malgré tout dans les airs, c'est parce que l'air environnant est environ 2000 fois plus lourd, l'eau ne faisant que s'y disperser finement.
Un nuage ne flotte pas parce qu'il est léger.
Il se dissout, en fine couche, dans un air bien plus lourd que lui.
La façon dont un nuage grandit en hauteur est présentée dans « Pourquoi un cumulonimbus grandit-il si haut ? ».
- Un jour de beau temps, choisissez un nuage cotonneux isolé. Comparez-le à une montagne ou un immeuble proche pour évaluer sa largeur.
- Supposez que la hauteur (l'épaisseur) du nuage est proche de sa largeur. Pour une largeur de 500 mètres, le volume est 500 × 500 × 500, soit environ 125 millions de mètres cubes.
- Multipliez ce volume par 0,5 gramme, puis divisez par un million pour obtenir des tonnes. En famille, deviner « combien d'éléphants » peut devenir un jeu amusant.
Sans connaître la distance jusqu'au nuage, impossible d'estimer sa largeur. Choisissez un nuage dont la taille est plus facile à évaluer, par exemple un nuage accroché près du sommet d'une montagne que vous observez depuis son pied.
Pour aller plus loin ― vocabulaire, formules et liens avec les programmes scolairesDu collège aux matières spécialisées de l'université, le niveau de chaque partie est indiqué
- CollègeContenu vu en sciences au collège
- LycéeContenu vu en « sciences de la Terre » ou « physique » au lycée
- Lycée+Contenu approfondi du lycée, ou traité en encadré dans les manuels
- UniversitéContenu non vu au lycée, relevant de matières universitaires spécialisées (météorologie, physique des nuages)
- RechercheSujet encore à l'étude par les chercheurs, non enseigné comme un « fait établi » même à l'université
CollègeVocabulaire : ce phénomène a un nom
- Gouttelette nuageuse : la goutte d'eau qui compose un nuage. Son rayon avoisine le plus souvent 0,01 millimètre.
- Teneur en eau liquide : le poids d'eau des gouttelettes contenues dans un mètre cube d'air. Pour un nuage cotonneux, elle vaudrait environ 0,2 à 1 gramme.
- Cumulus : nuage cotonneux aux contours nets, qui flotte par beau temps. En se développant, il devient un cumulonimbus.
CollègeLycéeVérification par le calcul : le poids d'eau d'un nuage cotonneux
« Densité = masse ÷ volume » se retourne en « masse = densité × volume ». La teneur en eau liquide étant la « densité de l'eau dans le nuage », il suffit de la multiplier par le volume du nuage pour obtenir le poids de l'eau.
| En notation symbolique | M = w × V (V = L × L × L) |
| En mots | Poids d'eau du nuage = poids d'eau par mètre cube (teneur en eau liquide) × volume du nuage |
| D'où vient cette formule | C'est la définition de la densité (densité = masse ÷ volume), résolue pour la masse. Le poids de l'air suit la même formule, en remplaçant w par la densité de l'air ρ |
| M | Masse d'eau contenue dans le nuage (en grammes, convertie ensuite en tonnes) |
| w | Teneur en eau liquide. Masse d'eau par mètre cube d'air (g/m³) |
| V | Volume du nuage (m³). On l'assimile ici à un cube de côté L |
| ρ | Densité de l'air (kg/m³) |
| Côté L d'un nuage cotonneux | env. 1000 m |
| Teneur en eau liquide w (valeur type d'un nuage cotonneux) | env. 0,5 g/m³ |
| Densité de l'air ρ à 1-2 km d'altitude | env. 1 kg/m³ |
| Poids d'un éléphant (ordre de grandeur) | env. 5 t |
| Surface de la base | 1000 × 1000 = 1 000 000 m² |
| Volume du nuage V | 1 000 000 × 1000 = 1 000 000 000 m³ |
| Poids d'eau M (en grammes) | 0,5 × 1 000 000 000 = 500 000 000 g |
| Conversion en tonnes | 500 000 000 ÷ 1 000 000 = 500 t |
| Air occupant le même volume (en kilogrammes) | 1 × 1 000 000 000 = 1 000 000 000 kg |
| Conversion de l'air en tonnes | 1 000 000 000 ÷ 1000 = 1 000 000 t |
| L'air pèse combien de fois plus que l'eau | 1 000 000 ÷ 500 = 2000 fois |
L'eau d'un nuage cotonneux pèse environ 500 tonnes. Mais l'air occupant le même volume pèse environ un million de tonnes : l'eau n'en représente qu'un deux-millième. Les chiffres montrent qu'il ne s'agit pas d'« un nuage lourd qui flotte », mais d'« un air lourd mêlé d'une infime quantité d'eau ».
| Équivalent en éléphants | 500 ÷ 5 = 100 |
| Équivalent en bouteilles de 2 litres (2 kg chacune) | 500 000 ÷ 2 = 250 000 bouteilles |
LycéeLycée+D'où vient l'eau d'un nuage, et pourquoi cette quantité ?
LycéeQuand l'air humide proche du sol s'élève, la pression baisse, l'air se dilate et sa température chute (détente adiabatique). Lorsque la température passe sous le point de rosée, la vapeur d'eau en excès se condense en gouttelettes. C'est la formation des nuages telle qu'on l'apprend en sciences de la Terre au lycée.
Lycée+La teneur en eau liquide dépend de l'ampleur du refroidissement subi par l'air ascendant. Plus l'air monte, plus la vapeur d'eau se transforme en eau liquide, si bien que la teneur en eau liquide tend à augmenter vers le sommet du nuage. Mais dans les nuages réels, le mélange avec l'air sec environnant fait que la valeur observée reste inférieure au maximum théorique.
UniversitéLa vitesse de chute des gouttelettes, et la physique des nuages
La vitesse de chute d'une aussi petite sphère qu'une gouttelette nuageuse dans l'air peut s'estimer avec la loi de Stokes (la vitesse limite, atteinte quand la résistance visqueuse équilibre la gravité). Cette vitesse limite étant proportionnelle au carré du rayon, une gouttelette nuageuse de 0,01 millimètre de rayon tombe à environ 1 centimètre par seconde, tandis qu'une goutte de pluie de 1 millimètre de rayon tombe à plusieurs mètres par seconde. C'est en passant par la « coalescence par collision », où les gouttelettes se heurtent et fusionnent, ou par le « processus de Bergeron », où les cristaux de glace captent la vapeur d'eau pour grossir, qu'elles atteignent enfin une taille suffisante pour tomber en pluie. Ces phénomènes relèvent d'un domaine appelé physique des nuages.
📖 Pour la démonstration de la formule et pour aller plus loin : Loi de Stokes (Wikipédia, en japonais) ／ Vitesse limite (Wikipédia, en japonais)
RechercheCe qui reste encore mal compris
- La répartition de l'eau dans un nuage La teneur en eau liquide varie fortement d'un point à l'autre d'un même nuage. Mesurer précisément la quantité totale d'un seul nuage exige de combiner observations aériennes et données radar, et les méthodes de mesure continuent d'être améliorées.
- Le mélange d'air sec Quand de l'air sec se mélange sur les bords d'un nuage, la façon dont les gouttelettes s'évaporent et dont la durée de vie du nuage en est affectée reste difficile à reproduire, même par simulation numérique.
- Le lien entre nuages et climat La quantité d'eau contenue dans les nuages influence la part de lumière solaire qu'ils renvoient vers l'espace. La façon dont cette quantité évoluera avec le réchauffement climatique demeure l'une des grandes incertitudes des projections climatiques.
Le contenu de cet article reflète donc « ce que l'on comprend à ce jour ». Le chiffre de 500 tonnes lui-même n'est qu'une estimation, obtenue en prenant des valeurs typiques pour la taille du nuage et sa teneur en eau liquide.
Liens avec les programmes scolaires (par niveau)
| Niveau | Matière / unité | Passage correspondant de l'article |
|---|---|---|
| Collège | Sciences・Densité / Évolution du temps qu'il fait (formation des nuages) | Calcul du poids du nuage via masse = densité × volume |
| Lycée | Sciences de la Terre・Structure de l'atmosphère et formation des nuages | Formation des gouttelettes par détente adiabatique et point de rosée |
| Lycée+ | Sciences de la Terre・Cycle de l'eau atmosphérique (approfondissement) | Variation de la teneur en eau liquide selon l'altitude et le mélange d'air |
| Université | Météorologie, physique des nuages, mécanique des fluides | Loi de Stokes, vitesse limite, coalescence par collision |
| Recherche | Observation des nuages, modèles numériques, projections climatiques | Répartition de la teneur en eau liquide et influence des nuages sur le climat |
| ― | Liens avec la vie quotidienne | Les averses d'été, lire le temps qu'il fait en observant le ciel |
- Agence météorologique japonaise (気象庁), « Foire aux questions sur l'observation météorologique, les nuages et les précipitations »
- Cumulus (Wikipédia, en japonais)
- Yoshimitsu Ogura (小倉義光), « Météorologie générale » (一般気象学), 2ᵉ édition révisée, Presses universitaires de Tokyo (東京大学出版会)
- R. R. Rogers, M. K. Yau, "A Short Course in Cloud Physics", 3ᵉ éd., Pergamon Press
- Estimation du poids d'un cumulus par Peggy LeMone, chercheuse au Centre national américain de recherche atmosphérique (NCAR/UCAR) — largement reprise dans la vulgarisation scientifique
※Cet article propose une vulgarisation scientifique à destination du grand public. Les chiffres indiqués sont des ordres de grandeur destinés à faciliter la compréhension du mécanisme. La taille des nuages et leur teneur en eau liquide varient considérablement d'un nuage à l'autre.