Un nuage est fait d'eau,
alors pourquoi ne tombe-t-il pas ?
Un nuage est fait d'eau. Comment l'eau, plus lourde que l'air, peut-elle rester suspendue dans le ciel ? Et surtout, pourquoi cette eau, qui semblait flotter indéfiniment, se transforme-t-elle soudain en pluie ? En réalité, elle ne « flotte » pas : elle tombe extrêmement lentement.
Par une journée ensoleillée, un nuage blanc flotte dans le ciel. Pendant des heures, il garde à peu près la même forme, suspendu là-haut.
Or ce nuage n'est pas de la vapeur d'eau gazeuse. Puisqu'on le voit, ce qui s'y trouve, ce sont des gouttelettes d'eau liquide (ou des cristaux de glace). L'eau est presque mille fois plus lourde que l'air, et pourtant elle ne tombe pas.
Si l'on estime la quantité d'eau contenue dans un gros cumulonimbus, on arrive à l'équivalent de plusieurs piscines. Toute cette eau flotte au-dessus de nos têtes.
Puis, quelques heures plus tard, cette eau tombe sous forme de pluie. Qu'est-ce qui a changé ?
Les gouttelettes qui composent un nuage mesurent environ un dixième de l'épaisseur d'un cheveu. La résistance de l'air est si forte que leur vitesse de chute n'est que d'environ 1 centimètre par seconde. Le moindre courant ascendant les repousse vers le haut.
Une seule goutte de pluie représente l'eau contenue dans environ un million de gouttelettes de nuage. C'est lorsque ce travail de « fusionner un million de gouttelettes en une seule » s'achève que la pluie tombe.
Autrement dit, la pluie n'est pas de l'eau qui arrive nouvellement dans le ciel, mais des gouttelettes déjà présentes qui « grossissent ». Voyons cela étape par étape.
Mais d'abord, pourquoi des gouttelettes d'eau se forment-elles dans le ciel ?
L'air contient de l'eau invisible (la vapeur d'eau). Mais la quantité qu'il peut contenir est limitée, et cette limite diminue quand la température baisse.
Quand l'air au sol se réchauffe et s'élève, la pression en altitude est plus faible, donc l'air se dilate. En se dilatant, il se refroidit (c'est exactement l'inverse d'une pompe à vélo, qui chauffe quand on la comprime). L'air refroidi ne peut plus retenir toute la vapeur d'eau qu'il contenait, et l'excédent se transforme en gouttelettes liquides. C'est cela, un nuage.
Dans un air trop pur, la vapeur d'eau a du mal à se transformer en gouttelettes. Il est étonnamment difficile pour les molécules d'eau de former, à elles seules, les toutes premières petites gouttelettes. En laboratoire, on peut charger l'air de plusieurs fois la limite de vapeur d'eau sans qu'aucune gouttelette ne se forme.
Dans le ciel réel flottent des poussières, des grains de sable, des cristaux de sel issus de l'évaporation des embruns marins, du pollen, des particules de fumée. La vapeur d'eau utilise ces particules comme support pour se liquéfier. On appelle cela des noyaux de condensation.
Autrement dit, chaque gouttelette de nuage contient généralement en son centre une sorte de « noyau ». Dans un monde où l'air serait parfaitement pur, la pluie tomberait bien plus difficilement qu'aujourd'hui.
Pourquoi ne tombe-t-il pas ? Plus une chose est petite, plus l'air la retient
C'est ici que l'intuition trompe. Plus un objet est petit, plus la résistance de l'air agit fortement sur lui.
Une feuille de papier froissée en boule tombe vite ; dépliée, elle tombe lentement. À poids égal, plus la surface en contact avec l'air est grande, plus la résistance est forte. Quand on réduit la taille d'une gouttelette, son poids diminue avec le cube du diamètre, tandis que la surface qui génère la résistance ne diminue qu'avec le carré. Plus on rapetisse une gouttelette, plus elle a « beaucoup de surface exposée à l'air par rapport à son poids ».
Pour une gouttelette de nuage (environ 0,02 mm de diamètre), cet effet est extrême. Sa vitesse de chute n'est que d'environ 1 centimètre par seconde. En une heure, elle ne descend que de 36 mètres. Or un nuage contient presque toujours des courants ascendants de quelques dizaines de centimètres à plusieurs mètres par seconde. Elle est donc facilement repoussée vers le haut.
Le nuage ne « flotte » donc pas : il tombe lentement, tout en étant repoussé vers le haut à peu près à la même vitesse.
Ils tombent trop lentement pour parvenir à tomber.
Pour devenir pluie : réunir un million de gouttelettes en une seule
Une goutte de pluie (environ 2 mm de diamètre) a un diamètre environ 100 fois plus grand qu'une gouttelette de nuage. En volume, cela donne 100 × 100 × 100, soit environ 1 million de fois plus. Il faut donc que l'eau d'un million de gouttelettes de nuage se rassemble en une seule goutte.
La simple condensation de vapeur d'eau sur les gouttelettes ne suffit absolument pas à faire ce travail à temps. Deux voies principales existent.
Le sommet d'un nuage est en dessous de 0°C. On y trouve un mélange de cristaux de glace et de gouttelettes d'eau non gelées. À ce moment-là, seuls les cristaux de glace grossissent, aux dépens des gouttelettes d'eau environnantes. Une fois assez gros, le cristal commence à tomber et fond en chemin pour devenir de la pluie.
Une gouttelette un peu plus grosse tombe plus vite, rattrape et absorbe les petites gouttelettes en dessous d'elle. Plus elle grossit, plus elle va vite, et plus elle en absorbe. Elle grossit ainsi en boule de neige.
Même la pluie qui tombe sur les plaines japonaises, hormis les averses d'été, est le plus souvent, à l'origine, de la neige en altitude. Elle fond simplement avant d'atteindre le sol, mais elle est d'abord de la glace.
Les gouttes de pluie n'ont pas la forme d'une larme
Dans les illustrations, on dessine souvent les gouttes de pluie avec une pointe en haut, en forme de larme. Ce n'est pas leur forme réelle.
Une petite goutte de pluie est, grâce à la tension superficielle, quasiment parfaitement ronde. En grossissant, sa vitesse de chute augmente, et la pression de l'air par en dessous aplatit et creuse sa partie inférieure. Elle ressemble alors à un petit pain rond ou à un pain à hamburger.
Si elle grossit encore, le creux s'approfondit jusqu'à ressembler à un parachute, et la goutte se divise vers 5 mm de diamètre. C'est pourquoi il n'existe pas de goutte de pluie extrêmement grosse : c'est la raison pour laquelle la taille des gouttes de pluie a une limite supérieure.
Ce qu'on peut vérifier dans sa cuisine
- Versez un peu d'eau (juste de quoi mouiller le fond) dans une bouteille en plastique transparente et secouez-la
- Faites entrer une bouffée de fumée d'encens, puis refermez aussitôt le bouchon (elle jouera le rôle de noyau de condensation)
- Avec les deux mains, compressez fortement la bouteille pour l'enfoncer, attendez quelques secondes, puis relâchez d'un coup
- Au moment où vous relâchez, l'intérieur de la bouteille devient blanc et trouble. Si vous compressez à nouveau, la buée disparaît
En comprimant, l'air intérieur se comprime et chauffe ; en relâchant, il se dilate et refroidit. Au moment où il refroidit, la vapeur d'eau ne peut plus être entièrement retenue et forme de minuscules gouttelettes en utilisant les particules de fumée comme support ― c'est exactement le mécanisme de la buée blanche, identique à celui des nuages dans le ciel. Sans fumée, la buée a du mal à se former, ce qui permet de vérifier aussi le rôle des noyaux de condensation.
En résumé
Si un nuage ne tombe pas, ce n'est pas parce que l'eau serait légère. C'est parce que ses gouttelettes sont trop petites pour vaincre la résistance de l'air. Et s'il pleut, ce n'est pas parce que de l'eau nouvelle serait arrivée dans le ciel, mais parce que les gouttelettes déjà présentes se sont rassemblées jusqu'à atteindre la taille d'un million d'entre elles.
En levant les yeux vers le ciel, sachez que l'équivalent de plusieurs piscines d'eau
y tombe en permanence, à 1 centimètre par seconde.
Le même mécanisme que la formation des nuages ― « l'air se refroidit et la vapeur d'eau devient gouttelettes » ― explique aussi pourquoi notre respiration devient visible en hiver. Pour en savoir plus, consultez cet article.
Quand ces gouttelettes de nuage s'accumulent en épaisseur, le nuage vu d'en dessous n'apparaît plus blanc mais noir. La raison est expliquée dans Pourquoi les nuages annonciateurs de pluie paraissent-ils noirs ?.
Une fois rassemblées, à quelle vitesse les gouttes de pluie arrivent-elles au sol ? La réponse se trouve dans « Les gouttes de pluie tombent de 1000 mètres de haut, alors pourquoi ça ne fait pas mal ? ».
Pour aller plus loin ― termes, formules et liens avec les programmes scolairesDu niveau collège jusqu'aux sujets de recherche actuels, le niveau de chaque section est indiqué
- CollègeNiveau enseigné au collège en sciences
- LycéeNiveau des matières « physique-chimie de base » et « sciences de la Terre de base » au lycée
- Lycée+Niveau « physique » et « sciences de la Terre » avancées du lycée, ou contenu complémentaire des manuels
- UniversitéContenu non enseigné au lycée, relevant de matières spécialisées universitaires (physique des nuages, météorologie)
- RechercheSujet que même l'université n'enseigne pas comme établi, et que les chercheurs étudient encore actuellement
CollègeVocabulaire : les mots des nuages et de la pluie
- Humidité de saturation : quantité maximale de vapeur d'eau qu'un air à une température donnée peut contenir. Elle diminue quand la température baisse.
- Point de rosée : température à laquelle, en refroidissant l'air, la vapeur d'eau commence à se transformer en eau liquide.
- Noyau de condensation : fine particule en suspension dans l'air servant de support à la liquéfaction de la vapeur d'eau. Poussière, sel marin, pollen, etc.
- Gouttelette de nuage : particule d'eau ou de glace constituant un nuage. Diamètre d'environ 0,01 à 0,05 mm.
- Goutte de pluie : diamètre d'environ 0,5 à 5 mm. En dessous, on parle de bruine.
- Vitesse terminale : vitesse atteinte par un objet qui tombe lorsque la résistance de l'air équilibre exactement son poids, et qui n'accélère plus au-delà.
CollègeLycéePourquoi l'air se refroidit-il en s'élevant ?
Quand l'air s'élève, la pression environnante baisse, donc il se dilate. En se dilatant, l'air fournit un travail en repoussant ce qui l'entoure. Cette énergie est ainsi consommée, et la température baisse même sans échange de chaleur avec l'extérieur. On appelle cela une détente adiabatique.
À titre indicatif, dans l'air sec avant la formation d'un nuage, la température baisse d'environ 1°C tous les 100 m d'élévation. Une fois le nuage formé, la libération de chaleur lors de la condensation de la vapeur d'eau (chaleur latente) ralentit cette baisse.
LycéeVérification par le calcul : combien de gouttelettes de nuage pour une goutte de pluie ?
Il existe des jours avec des nuages mais sans pluie. La différence entre une gouttelette de nuage et une goutte de pluie est-elle si grande que cela ? On peut le vérifier avec la simple formule du volume vue au collège.
V = (4 ÷ 3) × π × r³
| V volume de la sphère | en mm³, par exemple |
| r rayon | en mm |
| π pi | environ 3,14 |
Ce qu'il faut remarquer, c'est r³. Le volume augmente avec le cube du rayon. Un rayon double donne un volume 8 fois plus grand ; un rayon 10 fois plus grand donne un volume 1000 fois plus grand. La différence de contenu est bien plus grande que la différence de taille apparente.
Pour comparer deux sphères, la partie (4 ÷ 3) × π se simplifie des deux côtés, donc il suffit d'élever au cube le rapport des rayons.
| Diamètre d'une gouttelette de nuage | env. 0,02 mm |
| Diamètre d'une goutte de pluie | env. 2 mm |
| Rapport des diamètres | 2 ÷ 0,02 = 100 fois |
| Le volume, c'est ce rapport au cube | 100 × 100 × 100 = 1 000 000 |
| Réponse | 1 goutte de pluie = environ 1 million de gouttelettes de nuage |
Il faut réunir un million de gouttelettes de nuage pour obtenir une seule goutte de pluie. La différence de taille n'est que de 100 fois, mais le nombre nécessaire explose. Cette seule ligne explique pourquoi un nuage ne donne pas immédiatement de la pluie.
Il existe une autre condition : vaincre le courant ascendant. Si la vitesse de chute est inférieure à celle du courant ascendant, la particule ne peut pas tomber.
| Courant ascendant dans le nuage | env. 1 m/s |
| Vitesse de chute d'une gouttelette de nuage | env. 0,01 m/s (1 cm/s) |
| Facteur manquant | 1 ÷ 0,01 = 100 fois insuffisant |
| Vitesse de chute d'une goutte de pluie | env. 6 m/s |
| Facteur de dépassement | 6 ÷ 1 = 6 fois |
Une gouttelette de nuage, dont la vitesse de chute n'est que d'un centième, reste de fait en suspension en permanence. C'est pourquoi le nuage peut demeurer dans le ciel. Le nuage ne « flotte » pas : sa vitesse de chute est trop faible et il est repoussé par le courant ascendant.
Et ce n'est qu'après avoir grossi jusqu'à représenter un million de gouttelettes qu'elle atteint 6 m/s, vainc enfin le courant ascendant et parvient au sol. Il pleut lorsque ces deux conditions sont réunies simultanément.
| Gouttelette de nuage (0,02 mm) | env. 1 cm/s |
| Bruine (0,2 mm) | env. 0,7 m/s |
| Goutte de pluie (2 mm) | env. 6 m/s |
| Grosse goutte de pluie (5 mm) | env. 9 m/s (au-delà, elle se divise) |
En observant bien ce tableau, on voit que pour un diamètre 100 fois plus grand, la vitesse n'augmente que de 600 fois. Le volume, lui, est 1 million de fois plus grand. La vitesse de chute n'augmente pas aussi vite que le volume.
Lycée+Pour les particules très petites, la résistance de l'air est proportionnelle à la vitesse (F ∝ v). Dans ce régime, la vitesse de chute est proportionnelle au carré du rayon : un rayon divisé par 10 donne une vitesse divisée par 100. Quand la particule grossit, la résistance se rapproche du carré de la vitesse (F ∝ v²), et la vitesse de chute devient à peu près proportionnelle à la racine carrée du rayon. La loi change en cours de route, si bien qu'on ne peut pas l'écrire avec une seule formule simple.
UniversitéComment la glace grossit en « volant » l'eau
Le texte principal disait que « seuls les cristaux de glace grossissent, aux dépens des gouttelettes d'eau environnantes ». C'est ce qu'on appelle le processus de Bergeron (ou processus de Wegener-Bergeron-Findeisen), un mécanisme fondamental de la physique des nuages.
La clé est le fait que, à température égale, la pression de vapeur saturante est plus faible à la surface de la glace qu'à la surface de l'eau liquide. Vers −12°C, par exemple, cet écart atteint environ 10%. Il en résulte que l'air est « sursaturé » en vapeur d'eau du point de vue de la glace, mais « sous-saturé » du point de vue de la gouttelette d'eau.
Résultat : la vapeur d'eau s'évapore continuellement des gouttelettes, et cette vapeur se condense continuellement sur la glace. La glace croît de façon unilatérale, tandis que les gouttelettes disparaissent. Ce mécanisme fonctionne précisément parce qu'un nuage contient une grande quantité d'eau non gelée en dessous de 0°C (gouttelettes en surfusion).
Par la suite, les cristaux de glace ainsi grossis peuvent s'assembler en flocons de neige, capturer des gouttelettes en surfusion en tombant (givrage), et grossir jusqu'à former du grésil ou de la grêle. S'ils traversent une couche plus chaude que 0°C en tombant, ils fondent et deviennent de la pluie.
RechercheDes questions encore non résolues
- La pluie commence à tomber plus vite que la théorie ne le prévoit. C'est une énigme connue de longue date en physique des nuages. Le processus de croissance par condensation de vapeur d'eau reste efficace jusqu'à environ 0,03 mm de diamètre, mais son efficacité chute brutalement au-delà. La coalescence par collision, elle, ne devient efficace qu'à partir d'environ 0,08 mm. Entre les deux existe une « zone morte où aucun mécanisme de croissance efficace n'opère ». Pourtant, les cumulus réels commencent à donner de la pluie en une vingtaine de minutes, bien plus vite que ne le prédit la théorie.
- L'explication la plus probable est la « turbulence », mais elle n'est pas tranchée. Selon une hypothèse, les mouvements turbulents à l'intérieur du nuage concentrent localement les particules et augmentent les collisions ; simulations numériques et expériences en laboratoire progressent sur ce sujet. Mais l'ampleur exacte de cet effet, et la façon dont il se combine avec d'autres facteurs (comme le déclenchement par de plus grosses particules de sel marin), restent encore à déterminer.
- La relation entre nuages et pollution atmosphérique est l'élément le plus incertain des prévisions climatiques. Quand les noyaux de condensation se multiplient, la même quantité d'eau se répartit en davantage de petites gouttelettes. Le nuage devient alors plus blanc et réfléchit davantage la lumière solaire, tandis que la pluie devient potentiellement plus difficile à déclencher. L'ampleur de cet effet reste l'un des principaux facteurs d'incertitude dans les modèles climatiques.
- L'efficacité de l'ensemencement des nuages reste difficile à prouver. La technique consistant à disperser des noyaux dans les nuages est pratiquée dans plusieurs pays, mais il est en principe difficile de réfuter l'hypothèse « il aurait peut-être plu même sans ensemencement », et l'évaluation quantitative de son efficacité continue de faire débat.
Même pour une pluie que l'on observe tous les jours, le détail de « comment elle commence à tomber » n'est pas encore totalement expliqué. Les phénomènes les plus familiers sont parfois, étonnamment, les moins bien compris.
Liens avec les programmes scolaires (par niveau)
| Niveau | Matière / unité | Passage de cet article |
|---|---|---|
| Collège | Sciences · changements d'état / humidité de saturation et point de rosée / observation météorologique | Formation des nuages, noyaux de condensation, expérience de la bouteille |
| Lycée | Sciences de la Terre de base · structure de l'atmosphère / transformations adiabatiques | Pourquoi l'air se refroidit en s'élevant, environ 1°C par 100 m |
| Lycée | Physique de base · équilibre des forces / résistance de l'air | Vitesse terminale, pourquoi les petites gouttelettes ne tombent pas |
| Lycée+ | Physique · force de résistance et mouvement / tension superficielle | Régimes de résistance en v et en v², forme et division des gouttes de pluie |
| Université | Physique des nuages · météorologie | Processus de Bergeron, gouttelettes en surfusion, givrage |
| Recherche | Physique des nuages · sciences du climat (non résolu) | Zone morte de croissance, rôle de la turbulence, aérosols et nuages, ensemencement des nuages |
- Explications de l'Agence météorologique japonaise (気象庁, Agence météorologique du Japon) sur les nuages et les précipitations, et guide d'observation météorologique.
- Pruppacher, H. R. & Klett, J. D., Microphysics of Clouds and Precipitation (manuel de référence en physique des nuages : taille des gouttelettes et gouttes de pluie, vitesse terminale, processus de Bergeron).
- Grabowski, W. W. & Wang, L.-P., Growth of cloud droplets in a turbulent environment, Annual Review of Fluid Mechanics 45, 293–324, 2013 (revue sur la turbulence et la croissance par collision).
- Rapport du Groupe de travail I du 6e rapport d'évaluation du GIEC (évaluation selon laquelle l'interaction aérosols-nuages est l'un des principaux facteurs d'incertitude des prévisions climatiques).
- Beard, K. V. & Chuang, C., A new model for the equilibrium shape of raindrops, Journal of the Atmospheric Sciences 44, 1509–1524, 1987 (forme d'équilibre des gouttes de pluie).
※ La taille des particules et leur vitesse de chute varient selon les conditions. Cet article présente les ordres de grandeur généralement cités.
※Cet article est une vulgarisation scientifique à destination du grand public. Les valeurs indiquées sont des ordres de grandeur destinés à faciliter la compréhension du phénomène et peuvent varier selon les conditions. Pour les prévisions météorologiques, veuillez consulter les annonces officielles de l'Agence météorologique japonaise et des services météorologiques compétents.