Les nuages sont faits d'eau,
alors pourquoi ne tombent-ils pas ?
Les nuages sont faits d'eau. L'eau est plus lourde que l'air : comment peut-elle rester suspendue dans le ciel ? Et cette eau, qui semblait flotter depuis toujours, pourquoi se transforme-t-elle un jour soudainement en pluie ? En fait, elle ne « flotte » pas : elle tombe extrêmement lentement.
Par une journée ensoleillée, des nuages blancs flottent dans le ciel. Pendant des heures, ils gardent à peu près la même forme.
Pourtant, ce nuage n'est pas de la vapeur d'eau gazeuse. Puisqu'on le voit, ce qui s'y trouve, c'est de l'eau liquide sous forme de gouttelettes (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 calcule 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 goutte de pluie contient autant d'eau qu'environ un million de gouttelettes de nuage. C'est quand ce travail de « regroupement d'un million en une seule » est achevé que la pluie tombe.
En somme, la pluie n'est pas de l'eau qui arrive dans le ciel, mais de l'eau déjà présente qui « grossit ». Regardons cela en détail.
D'où viennent les gouttelettes du nuage ?
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 du sol se réchauffe et s'élève, il se dilate car la pression diminue en altitude. Cette dilatation le refroidit (c'est l'inverse d'une pompe à vélo, qui chauffe quand on appuie). L'air refroidi ne peut plus contenir toute la vapeur d'eau qu'il transportait, 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 devenir gouttelette. Il est étonnamment difficile pour les molécules d'eau seules de former la toute première petite gouttelette. En laboratoire, même avec une vapeur d'eau plusieurs fois supérieure à la limite, aucune gouttelette ne se forme parfois.
Dans le ciel réel flottent de la poussière, des grains de sable, des cristaux de sel issus d'embruns marins séchés, du pollen, des particules de fumée. La vapeur d'eau utilise ces particules comme point d'appui pour devenir liquide. On appelle cela un noyau de condensation.
Autrement dit, chaque gouttelette de nuage contient généralement un « noyau » en son centre. Dans un monde où l'air serait parfaitement pur, il pleuvrait beaucoup moins facilement qu'aujourd'hui.
Pourquoi ne tombe-t-il pas ? ― plus c'est petit, plus l'air colle
C'est ici que l'intuition trompe. Plus un objet est petit, plus la résistance de l'air agit.
Une feuille de papier roulée 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, alors que sa surface, qui détermine la résistance, ne diminue qu'avec le carré. Plus on rétrécit, plus la surface de contact avec l'air devient grande par rapport au poids.
Pour les gouttelettes de nuage (environ 0,02 mm de diamètre), cet effet est extrême. Leur vitesse de chute n'est que d'environ 1 cm par seconde. En une heure, elles ne descendent que de 36 mètres. Dans un nuage, il y a presque toujours des courants ascendants de quelques dizaines de centimètres à plusieurs mètres par seconde. Elles sont facilement repoussées vers le haut.
Le nuage ne « flotte » donc pas : il tombe lentement, tout en étant repoussé vers le haut à une vitesse comparable.
Ils tombent trop lentement pour achever leur chute.
Pour devenir pluie ― regrouper un million 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. Son volume est donc 100 × 100 × 100, soit environ un million de fois plus grand. Autrement dit, l'eau d'un million de gouttelettes de nuage doit se réunir en une seule goutte.
Grossir simplement en captant de la vapeur d'eau ne suffit pas, loin de là. Deux grandes voies permettent ce travail.
Le haut d'un nuage est à moins de 0°C. On y trouve un mélange de cristaux de glace et de gouttelettes d'eau non gelée. C'est alors que seuls les cristaux de glace grossissent, aux dépens des gouttelettes d'eau environnantes. La glace ainsi formée commence à tomber et fond en chemin pour devenir pluie.
Une gouttelette un peu plus grosse tombe plus vite, rattrape les petites gouttelettes en dessous, les percute et les absorbe. Plus elle grossit, plus elle va vite, et plus elle en absorbe. Elle grossit comme une boule de neige.
On considère que la pluie qui tombe sur les plaines japonaises, sauf les averses d'été, était en fait de la neige en altitude dans la plupart des cas. Elle fond seulement avant d'atteindre le sol ; à l'origine, c'est de la glace.
Les gouttes de pluie n'ont pas la forme d'une larme
Dans les illustrations, la goutte de pluie est dessinée pointue vers le haut, en forme de larme. Ce n'est pas la vraie forme.
Une petite goutte de pluie est, grâce à la tension superficielle, presque parfaitement sphérique. Quand elle grossit et que sa vitesse de chute augmente, l'air la pousse par-dessous et son côté inférieur s'aplatit et se creuse. Elle prend la forme d'un petit pain rond ou d'un pain à hamburger.
En grossissant 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. Cette division explique pourquoi la taille des gouttes de pluie a une limite supérieure.
Une expérience à faire chez soi
- Versez un peu d'eau (juste assez pour mouiller le fond) dans une bouteille en plastique transparente et secouez-la
- Soufflez une seule bouffée de fumée d'encens à l'intérieur, puis refermez vite le bouchon (cela joue le rôle de noyau de condensation)
- Avec les deux mains, comprimez fortement la bouteille, attendez quelques secondes, puis relâchez d'un coup
- Au moment du relâchement, l'intérieur de la bouteille se trouble en blanc. En comprimant à nouveau, la buée disparaît
En comprimant, l'air à l'intérieur se compresse et se réchauffe ; en relâchant, il se dilate et se refroidit. Au moment du refroidissement, la vapeur d'eau devient excédentaire et forme de petites gouttelettes en s'appuyant sur les particules de fumée ― voilà l'origine de ce brouillard blanc, exactement le même mécanisme que la formation d'un nuage dans le ciel. Sans fumée, la buée se forme difficilement, ce qui permet aussi de vérifier le rôle du noyau de condensation.
En résumé
Le nuage ne tombe pas parce que l'eau serait légère. C'est parce que ses gouttelettes sont trop petites pour achever leur chute face à la résistance de l'air. Et la pluie tombe non pas parce que de l'eau nouvelle serait arrivée dans le ciel, mais parce que les gouttelettes déjà présentes se sont regroupées jusqu'à atteindre la taille d'un million d'entre elles.
Levez les yeux vers le ciel : là-haut, l'équivalent de plusieurs piscines d'eau
tombe en continu, à 1 centimètre par seconde.
Le même mécanisme qui forme les nuages ― « l'air se refroidit, la vapeur d'eau devient gouttelette » ― explique aussi pourquoi notre souffle devient blanc en hiver. Pour en savoir plus, voir cet article.
Quand ces gouttelettes de nuage s'accumulent en une couche épaisse, 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 ?
Alors, une fois regroupées, à quelle vitesse les gouttes de pluie arrivent-elles au sol ? La réponse est dans « Les gouttes de pluie tombent de 1000 mètres : pourquoi ça ne fait pas mal ? »
Pour aller plus loin ― vocabulaire, formules et liens avec les programmes scolairesDu collège aux sujets de recherche actuels, chaque niveau est précisé
- Collègeprogramme de sciences du collège
- Lycéeprogramme de « physique-chimie » ou « sciences de la Terre » de première
- Lycée+programme de spécialité de terminale, ou contenu d'approfondissement/encadré dans les manuels
- Universitématière spécialisée non enseignée au lycée (physique des nuages, météorologie)
- Recherchesujet encore à l'étude, non enseigné comme établi même à l'université
CollègeVocabulaire : les mots du nuage et de la pluie
- Humidité de saturation : quantité maximale de vapeur d'eau que peut contenir l'air à une température donnée. Elle diminue quand la température baisse.
- Point de rosée : température à laquelle, en refroidissant l'air, la vapeur d'eau commence à devenir liquide.
- Noyau de condensation : fine particule en suspension dans l'air (poussière, sel marin, pollen...) servant de point d'appui à la vapeur d'eau pour devenir liquide.
- Gouttelette de nuage : goutte d'eau ou cristal de glace qui compose le 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 limite : vitesse atteinte par un objet qui tombe lorsque la résistance de l'air équilibre son poids, et au-delà de laquelle il n'accélère plus.
CollègeLycéePourquoi se refroidit-on en montant ?
Quand l'air monte, la pression environnante baisse, donc il se dilate. En se dilatant, l'air fournit un travail en repoussant ce qui l'entoure. Cette énergie dépensée fait baisser sa température, même sans échange de chaleur avec l'extérieur. On appelle cela détente adiabatique.
À titre indicatif, dans l'air sec avant la formation du nuage, la température baisse d'environ 1°C tous les 100 m de montée. Une fois le nuage formé, la vapeur d'eau qui devient liquide dégage de la chaleur (chaleur de condensation), ce qui ralentit la baisse.
LycéeVérification par le calcul : combien de gouttelettes pour une goutte de pluie ?
Certains jours, il y a des nuages mais pas de pluie. Les gouttelettes de nuage et les gouttes de pluie sont-elles si différentes ? On peut le vérifier avec la seule formule du volume, apprise 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 |
Portez attention à r³. Le volume augmente avec le cube du rayon. Un rayon doublé donne un volume multiplié par 8 ; multiplié par 10, le volume est multiplié par 1000. La différence réelle est bien plus grande que la différence apparente.
Pour comparer deux sphères, la partie (4 ÷ 3) × π s'applique de la même façon aux deux, donc il suffit d'élever le rapport des rayons au cube.
| 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, au cube | 100 × 100 × 100 = 1 000 000 |
| Résultat | 1 goutte de pluie = env. 1 million de gouttelettes de nuage |
Il faut réunir un million de gouttelettes de nuage pour obtenir enfin une goutte de pluie. La différence de taille n'est que d'un facteur 100, mais le nombre nécessaire augmente bien davantage. Cette seule ligne explique pourquoi un nuage ne donne pas de pluie immédiatement.
Il existe une autre condition : vaincre le courant ascendant. Si la vitesse de chute est inférieure à celle du courant ascendant, la gouttelette ne peut pas tomber.
| Courant ascendant dans le nuage | environ 1 m/s |
| Vitesse de chute d'une gouttelette | environ 0,01 m/s (1 cm/s) |
| Écart manquant | 1 ÷ 0,01 = 100 fois trop lent |
| Vitesse de chute d'une goutte de pluie | environ 6 m/s |
| Marge de victoire | 6 ÷ 1 = 6 fois plus rapide |
La gouttelette de nuage, avec une vitesse de chute 100 fois trop faible, reste en pratique suspendue en permanence. C'est pourquoi le nuage peut rester dans le ciel. Le nuage ne « flotte » pas : il « tombe trop lentement et se trouve repoussé par le courant ascendant ».
Et c'est seulement une fois grossie d'un facteur un million qu'elle atteint 6 m/s et parvient à vaincre le courant ascendant jusqu'au sol. La pluie, c'est le franchissement de ces deux conditions à la fois.
| Gouttelette de nuage (diamètre 0,02 mm) | env. 1 cm/s |
| Bruine (diamètre 0,2 mm) | env. 0,7 m/s |
| Goutte de pluie (diamètre 2 mm) | env. 6 m/s |
| Grosse goutte de pluie (diamètre 5 mm) | env. 9 m/s (au-delà, elle se divise) |
En regardant bien ce tableau, le diamètre est multiplié par 100, mais la vitesse ne l'est que par 600. Le volume, lui, est multiplié par un million. La vitesse de chute n'augmente pas aussi simplement que le volume.
Lycée+Pour les très petites gouttelettes, 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 dix fois plus petit donne une vitesse cent fois plus faible. Quand la goutte 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'aucune formule unique et simple ne couvre tout.
UniversitéComment la glace « vole » l'eau pour grossir
Le texte principal indique que « seuls les cristaux de glace grossissent, aux dépens des gouttelettes d'eau environnantes ». C'est ce qu'on appelle le processus de Bergeron (processus de Bergeron-Findeisen), un mécanisme fondamental de la physique des nuages.
La clé est que, à température égale, la pression de vapeur saturante est plus faible au-dessus de la glace qu'au-dessus 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.
Conséquence : la vapeur d'eau s'évapore continuellement des gouttelettes, et cette vapeur se condense continuellement sur la glace. La glace grossit à sens unique tandis que les gouttelettes disparaissent. Ce mécanisme fonctionne précisément parce que le nuage contient une grande quantité d'eau non gelée malgré une température sous 0°C (eau surfondue).
Ensuite, les cristaux de glace grossis peuvent s'agglomérer en flocons de neige, capturer des gouttelettes surfondues en tombant (givrage), et devenir grésil ou grêle. S'ils traversent une couche plus chaude que 0°C en tombant, ils fondent et deviennent pluie.
RechercheQuestions encore non résolues
- La pluie commence à tomber plus vite que ne le prévoit la théorie. C'est une énigme de longue date en physique des nuages. Le processus de captation de vapeur d'eau fonctionne bien jusqu'à un diamètre d'environ 0,03 mm, puis son efficacité chute brusquement. La collision-coalescence, elle, ne devient efficace qu'à partir d'environ 0,08 mm. Il existe donc entre les deux une « zone creuse sans moyen de grossir ». Pourtant, les cumulus réels commencent à produire de la pluie en environ 20 minutes ― bien plus vite que la théorie ne le prédit.
- L'explication la plus probable est la « turbulence », mais ce n'est pas tranché. L'idée est que les turbulences du nuage concentrent localement les gouttelettes et augmentent les collisions ; des simulations numériques et des expériences en laboratoire explorent cette piste. Mais son importance réelle, et son articulation avec d'autres facteurs (comme le rôle déclencheur de grosses particules de sel marin), restent à préciser.
- La relation entre nuages et pollution atmosphérique est l'un des points les plus incertains des prévisions climatiques. Davantage de noyaux de condensation répartissent la même quantité d'eau sur un plus grand nombre de petites gouttelettes. Le nuage devient alors plus blanc et réfléchit mieux la lumière solaire, tandis que la pluie devient potentiellement moins facile à déclencher. L'ampleur de cet effet reste l'un des plus grands facteurs d'incertitude des modèles climatiques.
- L'efficacité de l'ensemencement des nuages reste difficile à prouver. La technique qui consiste à disperser des noyaux dans les nuages est pratiquée dans plusieurs pays, mais il est en principe difficile de démontrer qu'« il n'aurait pas plu sans cela », et l'évaluation quantitative de son efficacité fait toujours débat.
Même pour la pluie que l'on observe chaque jour, le détail de « comment elle commence à tomber » n'est pas encore totalement expliqué. Les phénomènes les plus familiers sont parfois les moins bien compris.
Liens avec les programmes scolaires (par niveau)
| Niveau | Matière / chapitre | Section de l'article |
|---|---|---|
| Collège | Sciences · changements d'état / humidité de saturation et point de rosée / observation météo | Formation du nuage, noyau de condensation, expérience de la bouteille |
| Lycée | Sciences de la Terre · structure de l'atmosphère / transformations adiabatiques | Pourquoi on se refroidit en montant, environ 1°C tous les 100 m |
| Lycée | Physique · équilibre des forces / résistance de l'air | Vitesse limite, pourquoi les petites gouttelettes ne tombent pas |
| Lycée+ | Physique · forces de résistance et mouvement / tension superficielle | Régime de résistance en v et en v², forme et division des gouttes de pluie |
| Université | Physique des nuages · météorologie | Processus de Bergeron, eau surfondue, givrage |
| Recherche | Physique des nuages · sciences du climat (non résolu) | Zone creuse de croissance, rôle de la turbulence, aérosols et nuages, ensemencement artificiel |
- Explications de l'Agence météorologique japonaise (気象庁) sur les nuages et les précipitations, et son 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 limite, 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).
- GIEC, sixième rapport d'évaluation, groupe de travail I (évaluation selon laquelle l'interaction aérosols-nuages est l'un des grands 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 gouttelettes et leur vitesse de chute varient selon les conditions. Cet article présente des valeurs indicatives couramment citées.
※Cet article est une vulgarisation scientifique destinée au grand public. Les valeurs indiquées sont des repères pour comprendre les mécanismes et peuvent varier selon les conditions. Pour les prévisions météorologiques, veuillez consulter les annonces de l'Agence météorologique japonaise et des services météo spécialisés.