Pourquoi l'eau chaude lancée par −30 °C devient-elle un nuage blanc en un instant ?
― Avec de l'eau froide, rien de tel : seule l'eau chaude peut dégager de la vapeur
Dans l'intérieur de l'Hokkaido, en Sibérie ou dans l'hiver canadien, on peut lancer une tasse d'eau chaude vers le ciel : avant de toucher le sol, les gouttelettes se transforment en fumée blanche et disparaissent. Deux acteurs dominent la scène : « l'énorme quantité de vapeur que dégage l'eau chaude » et « l'air glacial, incapable de l'accueillir ».
Une aube de plein hiver, −30 °C. Vos cils gèlent et l'intérieur de votre nez craque.
Vous lancez l'eau d'un thermos vers le ciel d'un grand geste du bras. Les gouttes dessinent un arc, puis, dans un « pschhh », se changent en nuage blanc. Presque rien ne retombe au sol.
Mais si vous faites la même chose avec de l'eau froide, les gouttes retombent telles quelles sur la neige. Le froid devrait geler plus vite, alors pourquoi seule l'eau chaude devient-elle un nuage ?
Seulement deux raisons
L'eau chaude est fluide : en l'air, elle éclate en minuscules gouttelettes. Plus les gouttes sont petites, plus leur surface au contact de l'air est grande, et l'eau chaude libère aussitôt une grande quantité de vapeur.
L'air à −30 °C retient environ 50 fois moins de vapeur d'eau que l'air à 20 °C. Sans place où aller, la vapeur se change vite en minuscules grains de glace.
Le blanc ne vient pas seulement d'eau chaude qui aurait gelé telle quelle. Il vient surtout de la vapeur sortie de l'eau, qui se transforme d'un coup en grains de glace dans l'air ambiant : un « nuage formé sur place ». Voyons cela pas à pas.
L'air a une « limite » de vapeur qu'il peut contenir
L'air peut mélanger à lui de la vapeur d'eau invisible, mais seulement jusqu'à une certaine quantité. En sciences, on appelle cette limite la « quantité de vapeur saturante ». Elle varie beaucoup avec la température : plus l'air est froid, plus elle chute vite.
Dans la figure 1, déplacez le curseur pour changer la température. À 20 °C, un mètre cube d'air peut contenir environ 17 grammes de vapeur. À −30 °C, il n'en contient que 0,34 gramme. À gauche de 0 °C, la courbe est presque collée au sol.
Quand 200 grammes d'eau à 90 °C (une tasse) refroidissent, on estime qu'ils peuvent dégager au plus 34 grammes de vapeur (le calcul est dans le volet repliable final). De l'air à 20 °C en absorbe cette quantité dans environ 2 mètres cubes. À −30 °C, il faut environ 100 mètres cubes d'air, soit à peu près la moitié d'une salle de classe.
Le peu d'air qui entoure l'eau chaude dépasse donc sa limite en un clin d'œil. La vapeur en excès, autour de poussières ou d'autres noyaux, redevient aussitôt de minuscules gouttelettes ou grains de glace. Ces grains diffusent la lumière dans toutes les directions : c'est pourquoi on voit un nuage blanc.
L'eau chaude « se brise facilement » et « dégage facilement de la vapeur »
L'autre clé tient à l'eau chaude elle-même. Suivez la figure 2 de gauche à droite.
L'eau chaude est plus fluide que l'eau froide. Sa viscosité est environ trois fois plus faible, et la force qui tend à garder sa surface arrondie (la tension superficielle) est aussi plus faible de plus de 10 %. Lancée d'un geste du bras, elle se brise donc facilement en fines gouttes.
Si l'eau d'une tasse se brisait entièrement en gouttes de 0,1 millimètre de diamètre, leur surface totale atteindrait environ celle de sept tatamis, soit quelque 3000 fois la surface de l'eau dans la tasse. Chaque goutte se met alors à dégager de la vapeur sur une grande surface, toutes en même temps.
De plus, l'eau chaude émet de la vapeur avec une vigueur sans commune mesure. La tendance de l'eau à 90 °C à s'échapper en vapeur est environ 30 fois celle de l'eau à 20 °C. L'eau froide, même brisée, ne dégage presque pas de vapeur et retombe en simples gouttes.
Quand l'eau se change en vapeur, elle prélève beaucoup de chaleur autour d'elle. Une petite goutte contient peu de chaleur : en émettant de la vapeur, elle se refroidit à vue d'œil. Une partie des gouttelettes gèle donc avant de retomber et devient une fine poussière de glace. Le nuage contient aussi cette poudre.
À l'étranger, des brûlures ont été signalées : l'eau lancée était rabattue par le vent ou retombait sur la tête. Utilisez de l'eau un peu refroidie plutôt que bouillante, lancez-la toujours sous le vent et vérifiez qu'il n'y a personne autour. Des gants mouillés peuvent causer des gelures. Quand la température est plus haute que −20 °C environ, l'eau a plutôt tendance à retomber sans se changer en nuage.
En résumé
L'eau chaude devient un nuage blanc en un instant parce qu'elle se brise en fines gouttes et dégage beaucoup de vapeur. Et l'air à −30 °C ne peut presque pas la retenir. La vapeur en excès forme sur place un nuage de grains de glace. L'eau froide, elle, ne dégage pas la vapeur indispensable : pas de nuage.
Ce n'est pas le froid qui fabrique le nuage, c'est la vapeur de l'eau chaude.
L'air glacial ne fait que ne pas pouvoir la retenir.
Votre souffle qui devient blanc en hiver obéit au même mécanisme, en petit. Lisez aussi Pourquoi notre souffle paraît-il blanc en hiver ?. Une autre histoire, celle de « l'eau chaude qui gèle plus vite », est traitée dans Est-il vrai que l'eau chaude gèle plus vite que l'eau froide ?
- Par un matin d'hiver froid, dans une cuisine dont la fenêtre est ouverte, regardez la vapeur d'une bouilloire. Près de la fenêtre, la vapeur blanche doit paraître plus nette et plus longue qu'au milieu de la pièce chauffée.
- Entrouvrez la porte du congélateur et approchez-en une tasse d'eau chaude. Là où elle touche l'air froid, la vapeur blanche s'épaissit d'un coup.
- Refaites la même chose avec de l'eau froide : presque aucune vapeur blanche. La différence tient à la quantité de vapeur que l'eau peut émettre.
Que ce soit un adulte qui manipule l'eau chaude, dans un récipient peu profond pour ne rien renverser. L'expérience de lancer d'eau en plein air doit se faire dans une région où il fait moins de −20 °C, par un adulte qui a vérifié la direction du vent.
Pour aller plus loin ― termes, formules et liens avec les manuelsDu collège à l'université : le niveau de chaque passage est indiqué
- CollègeAu programme de sciences du collège
- LycéeAu programme de physique ou de sciences de la Terre du lycée
- Lycée+Approfondissement du lycée, ou encadré de manuel
- Univ.Matières universitaires non vues au lycée (thermodynamique, physique des nuages)
- RechercheSujets encore étudiés par les chercheurs, pas enseignés comme acquis
CollègeVocabulaire : ce phénomène a des noms
- Quantité de vapeur saturante : quantité maximale de vapeur d'eau que peut contenir un mètre cube d'air. Elle chute vite quand la température baisse.
- Chaleur de vaporisation : chaleur prélevée quand l'eau devient vapeur. Environ 2260 joules par gramme, soit environ 540 fois la chaleur qui réchauffe l'eau de 1 °C.
- Feux d'artifice d'eau chaude : l'un des noms japonais du jeu qui consiste à lancer de l'eau chaude dans le grand froid pour faire un nuage blanc.
CollègeLycéeVérifier par le calcul : quel volume d'air faut-il pour la vapeur d'une tasse ?
Supposons que toute la chaleur perdue par 200 grammes d'eau passant de 90 °C à 0 °C serve à évaporer l'eau. En réalité, une partie de la chaleur passe directement à l'air : c'est donc une estimation haute de la quantité de vapeur.
| En symboles | m ＝ M × c × ΔT ÷ L , V ＝ m ÷ ρs |
| En mots | quantité de vapeur ＝ quantité d'eau × chaleur massique × baisse de température ÷ chaleur de vaporisation , air requis ＝ quantité de vapeur ÷ quantité de vapeur saturante |
| D'où viennent-elles ? | La première moitié vient de la conservation de la chaleur (chaleur perdue par l'eau ＝ chaleur prélevée par l'évaporation), la seconde de la définition de la vapeur saturante (limite que peut contenir un mètre cube d'air). |
| Symbole | Sens et unité |
|---|---|
| M | Quantité d'eau chaude (grammes) |
| c | Chaleur massique de l'eau (joules par gramme par degré) |
| ΔT | Baisse de température (°C) |
| L | Chaleur de vaporisation (joules par gramme) |
| m | Quantité de vapeur émise (grammes) |
| ρs | Quantité de vapeur saturante (grammes par mètre cube) |
| V | Air requis pour accueillir la vapeur (mètres cubes) |
| Quantité d'eau chaude M | 200 g |
| Chaleur massique de l'eau c | 4.2 J/(g・℃) |
| Baisse de température ΔT (90 °C → 0 °C) | 90 ℃ |
| Chaleur de vaporisation L | environ 2260 J/g |
| Vapeur saturante (−30 °C, au-dessus de la glace) | environ 0.34 g/m³ |
| Vapeur saturante (20 °C) | environ 17 g/m³ |
| Chaleur libérée par 1 gramme qui perd 90 °C | 4.2 × 90 ＝ 378 J |
| Part employée à l'évaporation | 378 ÷ 2260 ≒ 0.17 |
| Vapeur émise par une tasse m | 200 × 0.17 ＝ 34 g |
| Air requis à −30 °C V | 34 ÷ 0.34 ＝ 100 m³ |
| Air requis à 20 °C V | 34 ÷ 17 ＝ 2 m³ |
| Quel écart ? | 100 ÷ 2 ＝ 50 fois |
À −30 °C, il faut environ 100 mètres cubes d'air, à peu près la moitié d'une salle de classe, pour accueillir la vapeur d'une tasse. L'air autour des gouttes dépasse vite sa limite, et la vapeur en excès forme un nuage. On en tire aussi cette estimation : environ un sixième de l'eau chaude peut se changer en vapeur.
LycéeLycée+Pourquoi la vapeur saturante change si vite avec la température
LycéeSeules les molécules d'eau qui ont reçu assez de chaleur de leur entourage s'échappent de la surface. Quand la température baisse, leur nombre diminue brusquement. La pression de vapeur saturante varie donc presque de façon exponentielle avec la température. En gros, elle est divisée par deux à chaque baisse de 10 °C.
Lycée+Dans l'air sous 0 °C, la pression de vapeur saturante au-dessus de la glace est plus basse qu'au-dessus de l'eau refroidie (eau surfondue). Quand des gouttes froides et des grains de glace se côtoient, la vapeur migre donc vers la glace. C'est le processus de Bergeron, le même qui fait grossir la neige dans les nuages.
Univ.L'équation de Clausius-Clapeyron et la nucléation homogène
La façon dont la pression de vapeur saturante varie avec la température est décrite par l'équation de Clausius-Clapeyron, en thermodynamique. Plus la chaleur de vaporisation est grande, plus la variation avec la température est forte. Le script de la figure 1 utilise la formule de Magnus, une approximation de cette équation. On sait aussi qu'une goutte d'eau pure, sans noyau de poussière, peut rester liquide jusqu'à environ −38 °C (congélation homogène). Les nuages formés à −30 °C contiennent donc probablement aussi des gouttelettes surfondues, pas encore gelées.
📖 Dérivation de la formule et pour aller plus loin : Équation de Clausius-Clapeyron (Wikipédia) ／ Quantité de vapeur saturante (Wikipédia)
RechercheCe qu'on ne sait pas encore bien
- La composition du nuage Dans le nuage blanc, la part des grains issus de la vapeur et celle des gouttes d'eau brisées gelées telles quelles varient sans doute beaucoup selon les conditions.
- La répartition des tailles de gouttes La manière dont l'eau lancée à bout de bras se divise en gouttes de telle ou telle taille dépend de la vitesse du geste et de la forme du récipient. Elle est difficile à prévoir.
- Les points communs avec les nuages artificiels Le mécanisme est proche, dit-on, de celui des traînées d'avion ou de la vapeur d'usines en climat froid qui devient brouillard de glace. L'étude du « brouillard de glace » des villes très froides se poursuit.
Cet article n'est donc qu'une « explication dans l'état actuel des connaissances ». La température limite à partir de laquelle un nuage se forme change aussi avec le vent, l'humidité et la température de l'eau.
Liens avec les manuels (par niveau)
| Niveau | Matière et chapitre | Où dans cet article |
|---|---|---|
| Collège | Sciences, 2e année « Le temps et ses changements » (vapeur saturante, point de rosée) | Figure 1, limite de vapeur que l'air peut contenir |
| Lycée | Physique « Chaleur et température », sciences de la Terre « L'eau dans l'atmosphère » | Calcul de la chaleur de vaporisation, variation de la pression de vapeur saturante avec la température |
| Lycée+ | Sciences de la Terre, approfondissement (comment la neige grossit dans les nuages) | Processus de Bergeron |
| Univ. | Thermodynamique, physique des nuages | Équation de Clausius-Clapeyron, congélation homogène |
| Recherche | Études du brouillard de glace et des gouttelettes de brouillard | Composition du nuage, taille des grains |
| ― | Liens avec la vie courante | Souffle blanc en hiver, vapeur de bouilloire, brouillard de glace en climat froid |
- Murphy, D. M. & Koop, T. (2005) Review of the vapour pressures of ice and supercooled water for atmospheric applications. Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society
- Quantité de vapeur saturante (飽和水蒸気量, Wikipédia en japonais)
- National Astronomical Observatory of Japan (国立天文台), éd., 『理科年表』 (Rika Nenpyō, « Annuaire scientifique »), Maruzen Publishing (丸善出版) (tables de pression de vapeur saturante, de viscosité et de tension superficielle de l'eau)
- Yoshimitsu Ogura (小倉義光), 『一般気象学』 (Ippan kishōgaku, « Météorologie générale »), University of Tokyo Press (東京大学出版会) (formation des gouttelettes de nuage et croissance des cristaux de glace)
* Cet article est une vulgarisation scientifique pour le grand public. Les valeurs indiquées sont des ordres de grandeur et des estimations, destinés à comprendre le mécanisme. Si vous lancez de l'eau chaude en plein air, prenez garde aux brûlures et aux gelures, et faites-vous accompagner d'un adulte.