Les nuages : force de la nature

TPE 1ère S1

Lycée Maurice Eliot

2010-2011

Physique-Chimie / SVT

PLAN

I-PRINCIPE ET FORMATION DES NUAGES

A- ASCENDANCE DUE A LA CONVECTION

B- ASCENDANCE DUE A UN FRONT

C- ASCENDANCE DUE AU RELIEF : SOULEVEMENT OROGRAPHIQUE

II-DIFFERENTES FAMILES DE NUAGES

III-LE CUMULONIMBUS : MAITRE DU TEMPS

IV-LA PHYSIQUE DES NUAGES

V-LES INSTRUMENTS DE MESURE ET MOYENS D’OBSERVATION

LES NUAGES : force de la Nature

En levant les yeux vers le ciel, lequel d’entre nous n’a jamais tenté de décrire chacun des nuages qui passaient au dessus de lui. On a l’impression de chacun sont différents et nous avons tous raison, cependant pas pour une raison de forme mais pour d’autres raisons bien plus complexes. N’existe-t-il qu’un seul nuage? Si non, comment peut-on les voir ou encore les anticiper?

I –Principe et formation des nuages

Un nuage est formé par un ensemble de minuscules gouttelettes d’eau ou de cristaux de glace en suspension dans l’atmosphère. Il a pour origine l’ascendance d’une poche d’air réchauffée par le Soleil. Au fur et à mesure de son ascension, celle-ci rencontre des températures et des pressions de plus en plus basses. De cette rencontre air chaud, air froid se produit la condensation de l’air (car l’air froid ne peut pas contenir autant d’humidité que l’air chaud). Néanmoins, ce phénomène physique ne pourrait pas avoir lieu sans la présence d’aérosols, qui sont des particules de matière organiques, de sel marin, de poussières, et de fumée en suspension dans l’air. Tous les nuages, quel qu’ils soient ne peuvent se former que dans la Troposphère. En effet, cette première couche de l’atmosphère est le foyer de turbulences atmosphériques et de manifestations météorologiques les plus importantes. Elle est couronnée d’une zone marquée par le calme de l’air et la stabilité des températures qui empêche la formation des nuages au dessus de la Troposphère: c’est la Tropopause. Il existe trois types de formation des nuages.

A-Ascendance due à la convection

Ce phénomène est fréquent l’été sur Terre et l’hiver sur la mer. Il résulte du soulèvement d’une masse d’air chauffé par le soleil venant du sol (poussé d’Archimède) qui va rencontrer une masse d’air froid instable au niveau de convection. De plus, la masse d’air ascendante est inferieure à la masse d’air descendante car celle-ci subit des modifications de masse volumique. On passe donc d’une énergie potentielle gravitationnelle à une énergie cinétique. La masse d’air chaud qui se condense va libérer une chaleur latente (chaleur nécessaire au changement d’état gazeux- liquide) qui entraine un contraste thermique et une poussé de convection.

B-Ascendance due à un front

Un front est une surface discontinue qui sépare deux masses d’air ayant des propriétés physiques différentes. Il existe trois types de fronts responsables de la formation d’un nuage.

FRONT FROID : il s’agit d’une masse d’air froide venant du Nord qui se dirige vers les masses d’air chaudes du Sud.

FRONT CHAUD : il s’agit d’une masse d’air chaude venant du sud qui se dirige vers les masses d’air froides du Nord

FRONT OCCLUS : c’est le plus rapide déplacement d’air froid vers le Sud que d’air chaud vers le Nord. Ainsi le front froid soulève le front chaud qui s’élève en altitude.

Sur ces trois zones de contact air chaud/air froid se développent des systèmes nuageux de grandes étendues. Ces systèmes peuvent atteindre plusieurs milliers de kilomètres de longueurs sur quelques centaines de kilomètres de largeur.

De plus, tous cet ensemble de fronts constituent la perturbation. En effet, grâce a la « théorie norvégienne » on a mis en relation les modifications de conditions météorologiques (aspect du ciel, pression atmosphérique, orientation du vent, températures…) avec la naissance de zones de front.

C- Ascendances due au relief : soulèvement orographique

Ce phénomène correspond à l’ascendance forcée d’une masse d’air humide pousse par un vent fort qui va rencontrer un obstacle (exemple : une montagne). De cette ascension la masse d’air humide va

rencontrée des températures plus basses et va ainsi se condenser. Si le vent est assez puissant il fera se dissiper le nuage sur le versant sous le vent. Ces types de nuages sont appelés « nuages lenticulaires ».

III-LE CUMULONIMBUS : MAITRE DU TEMPS

Le cumulonimbus est le plus majestueux de tous les nuages. Il résulte du développement et de l’accumulation d’un cumulus, d’un nimbostratus ou d’un altocumulus .Ce nuage nait d’une ascendance très rapide d’une masse d’air chaude qui va rencontrer une masse d’air très froide en altitude. Par cette montée anarchique, le nuage est rapidement aspiré vers de hautes altitudes. Il peut évoluer de 1000 à 12000 mètres de hauteur dans la troposphère .C’est de cette forte différence de températures d’environ 24°C entre la haute et la basse altitude que l’on va pouvoir garder des puissances ascendantes. Cependant, malgré ses puissants courants d’air chaud ascendant qui forment un bouillonnement ou bourgeonnement central dans le nuage, ce dernier ne peut dépasser la tropopause. En effet, au delà de la tropopause l’air est légèrement plus chaud que l’air ascendant du nuage ce qui entraine un plafonnement dans l’évolution du nuage géant. C’est cette limite qui permet la formation du sommet plat en enclume caractéristique du cumulonimbus. Néanmoins, si le bouillonnement central est très intense, il arrive que le sommet plat du nuage dépasse légèrement la tropopause au centre ou même se développe légèrement dans la stratosphère.

La puissance d’un cumulonimbus est sans égale. Le nuage est une gigantesque machine thermique qui produit sa propre énergie. C’est grâce à la condensation de l’air, qu’il libère une énorme quantité de chaleur. Cette production est alimentée par quelques 700000 tonnes d’air aspirés par seconde qui permet la condensation de 7600 tonnes de vapeur d’eau. Le cumulonimbus a une puissance

électrique 5 fois supérieure à l’ensemble des centrales électriques mondiales et a un poids qui s’apparente à 800000 tonnes. Ce nuage peut atteindre 63 km de circonférence.

Le cumulonimbus est à l’origine de nombreux phénomènes météorologiques dangereux (orage, grêle, givrage, turbulence, tornades…). Cependant, les phénomènes les plus dévastateurs naissent dans une structure convective particulière plus grande : c’est la super-cellule

.

Mais la super-cellule est le troisième stade convectif du cumulonimbus. Avant lui il y a :

A-La cellule orageuse unique ou orage monocellulaire

Le faible cisaillement permet le développement de l’orage monocellulaire. Le fait que le décalage de l’intensité des vents et leur direction ne varient que modérément permet d’arrêter la croissance au niveau de la simple cellule.

L’orage multicellulaire

On a ici un fort cisaillement unidirectionnel qui est du à la dissymétrie de la direction des vents. Ceci permet l’étalement du courant de densité dans une direction privilégiée et empêche les subsidences (affaiblissement généralisé affectant une masse d’air) de détruire les ascendances. Lorsque la vitesse de déplacement des cellules et celle de la propagation s’opposent, le système est stationnaire. De ce fait on observe de fortes précipitations allant jusqu’à 200 mm de précipitations en 24 heures. L’orage multicellulaire ne se dissipe pas de manière anarchique comme les orages monocellulaire, sa disparition lui est propre.

B-A présent l’orage super-cellulaire

On est en présence d’une pression atmosphérique qui hausse rapidement et des températures basse, typiques d’un orage fort. L’orage super-cellulaire est à l’ origine de tornade possible et des plus fortes rafales. La puissance des courants ascendants permet au nuage d’aspirer les tourbillons verticaux et de les transformer en tourbillons verticaux qui , en descendant, forment des tornades.

II-DIFFERENTS. TYPES. DE. NUAGES

Par nos nombreuses recherches nous avons pu analyser et classer de nombreux nuages qui diffèrent par leurs topos respectifs et leurs morphologies

ETAGE. ELEVE ETAGE. MOYEN ETAGE. BAS

STRATIFORME Cirrus

Cirrostratus

Altostratus

Nimbostratus

Stratus

CUMULIFORME Cirrocumulus

Cumulonimbus

Stratocumulus

Altocumulus

Cumulus

IV-LA PHYSIQUE DES NUAGES

La physique des nuages est l’étude des processus physiques et dynamiques de formations de nuages et de précipitations. Etant donné la complexité des formules démontrant les différents phénomènes qui régissent la vie d’un nuage nous avons préféré traiter des phénomènes accessibles à notre portée.

Dans un premier temps nous allons nous intéresser de plus près aux causes de formations d’un nuage. Nous avons vu précédemment, que les différentes ascendances étaient des facteurs prédominants dans la morphologie d’un nuage, cependant il existe d’autres causes secondaires qui ont aussi un rôle dans la formation de ce dernier.

Les subsidences

Elles correspondent à l’affaiblissement généralisé affectant une masse d’air. La DCAPE (Drowndraft pour D et Convective Availade Potentiel Energiy CAPE) est l’indice de subsidence en J/kg. Il traduit la capacité d’une masse d’air à produire un courant de densité sous la base du cumulonimbus à partir de l’évaporation de la pluie. On estime la DCAPE en examinant l’air sec de moyenne troposphère (vers 500-600 hPa) à partir d’un radiosondage. Plus la DCAPE est élevée, plus le cumulonimbus pourra produire de fortes subsidences et donner un courant de densité fort et actif. Une convection intense résulte en partie du bon couplage entre CAPE et DCAPE, c’est-à-dire entre la capacité du cumulonimbus à produire de fortes ascendances et de fortes subsidences.

Le cisaillement, hélicité

Le vecteur cisaillement vertical de vent entre deux niveaux est la différence entre le vent du niveau supérieur et le vent du niveau inférieur, divisé par l’épaisseur de la couche ainsi délimitée. Le cisaillement vertical est aussi un tourbillon à axe horizontal. Le cisaillement est représenta par un hodographe

- Tous les vecteurs cisaillements de même direction : cisaillement unidirectionnel

- Les vecteurs cisaillements tournent avec l’altitude : cisaillement tournant ou directionnel

Origines du cisaillement de vent

-reliefs

-présence de fronts

-gradient horizontale de température

-effet de la couche limite

Exemple de cisaillement

L’hélicité relative à un orage, mesure la capacité de l’orage à transformer le tourbillon à axe horizontal de l’environnement cisaillé en tourbillon à axe vertical. L’hélicité relative d’un orage se mesure dans la couche d’alimentation de l’orage entre 0 et 3000 mètres.

Le courant de densité

Le courant de densité est constitué d’air plus dense qui s’étale au sol. Il est alimenté par les subsidences. La hauteur du courant de densité est de l’ordre du kilomètre (de 200à300m sur mer et jusqu’à 2km sur terre)

Les autres processus

L’orographie, les ondes de gravité, un forçage de basses couches, un forçage de grande échelle, le cycle diurne, le rayonnement peuvent fournir l’énergie nécessaire au déclenchement de la convection.

V. Instruments de mesure et moyens d'observations

Il existe différents instruments météorologiques permettant de suivre les nuages et d'obtenir diverses informations les concernant. En voici quelques-uns:

Le radar ("RAdio Detection And Ranging" que l'on peut traduire par: "détection et estimation de la distance par ondes radio") météorologique sert à localiser les zones de précipitations. Grâce à lui on peut déterminer leur type, c'est-à-dire savoir s'il s'agit de pluie, neige ou grêle. On peut également calculer leurs déplacements. Cet instrument nous informe également de la quantité d'eau contenue dans le nuage. Le radar météorologique est un radar à impulsion, il émet de brèves impulsions éléctromagnétiques et reçoit en retour un signal réemis par les masses nuageuses. L'analyse des échos permet de localiser les zones de précipitations et d'estimer leur intensité dans un rayon de 150 à 200 km. En france 12 radars observent les précipitations en permanence.

Exemple d'une image radar montrant les précipitations qui couvrent la Suisse

Radar météorologique de Martinique

Le LIDAR ("Light Detection and Ranging") est un instrument de télédétection active qui fonctionne de façon similaire au radar météorologique, contrairement à celui-ci il utilise de la lumière au lieu d'ondes radio. Le LIDAR fournit les mêmes informations que le radar. Cet instrument comporte un système laser dont le rôle est d’émettre l’onde lumineuse depuis un satellite. Celle-ci va interagir avec les divers composants qu’elle rencontre. Une partie de cette onde sera rétrodiffusée et collectée par le télescope. Grâce à cela on pourra déduire des informations concernant le composant rencontré ainsi que sa distance par rapport à l’instrument de mesure. Les données obtenues, qui sont très précises, nous renseignent également sur la taille, le mouvement et la composition des nuages.

Exemple d’une image réalisée grâce au LIDAR présentant des nuages «lenticulaires»

Le ballon sonde est un ballon météorologique qui permet, grâce à divers instruments mis à son bord de faire mes mesures dans l'atmosphère jusqu'à une altitude moyenne de 25km/h. Le ballon sonde transporte la radiosonde, cet appareil météorologique permet d'obtenir différentes informations sur l'atmosphère de manière précise et immédiate. On peut, grâce à elle, connaître l'origine et les mouvements des masses d'air, la localisation des couches nuageuses et de turbulences.

Parcours d’un ballon sonde

Ballon sonde

Le satellite météorologique est un satellite artificiel qui permet de récolter des informations précises. Il permet de réaliser des images de la couverture nuageuse et des photographies dans le visible et dans l'infrarouge pour mesurer les différences de température des nuages. Il existe deux types de satelites: - les satellites géostationnaires qui permettent d'observer toujours le même endroit sur la Terrre, ils sont placés à 36000 km au dessus de la surface terrestre. Ces satelites couvrent 1/3 de la planête et surtout les régions peuplés. - les satellites polaires qui font le tour de la planête d'un pole à l'autre, ils permettent donc d'observer tous les endroits de la Terre. Ces satellites permettent une meilleure observation des régions polaires. Ils sont placé de 600 à 900 km au-dessus de la surface terrestre.

La Terre vue par le satellite de Météosat

Satellite de Météosat

Le célomètre laser (ou télémètre de nuages) est un appareil météorologique permettant de mesurer la hauteur des nuages grâce au retour d'un faisceau lumineux. Un nuage a une densité plus ou moins grande, le faisceau lumineux envoyé par le célomètre sera retourné sur une certaine épaisseur avant d'être finalement bloqué par le nuage. L'épaisseur de cette couche de retour nous donne donc des renseignements sur le type du nuage et sur sa densité. Le temps qu’il faut pour que le signal revienne nous indique la hauteur du nuage. Le célomètre laser peut mesurer des nuages aussi hauts que quatre kilomètres au-dessus du sol car le faisceau lumineux se disperse graduellement par diffusion sur les molécules d'air. Le fonctionnement du célomètre se rapproche donc du fonctionnement du lidar. Mais il ne sert pas uniquement à mesurer la hauteur du plafond nuageux. Une partie du faisceau lumineux peut retourner vers le capteur avant d'atteindre le nuage, le signal reçu sera donc plus faible. De ce fait il peut donner une estimation de la visibilité verticale, il permet également de localiser la présence de précipitations ainsi que de la quantité de pollant dans l'air.

Célomètre laser (les pointes de métal servent à éloigner les oiseaux de l'ouverture sans pour autant bloquer le rayon laser)

Nous avons donc vu, après de nombreuses recherches, que l’environnement atmosphérique est primordial dans la formation d’un nuage. Au dessus de nos têtes, il existe une multitude de nuage qui ont chacun leur fonction, leur signature. Leur identification est ainsi possible grâce à des instruments pouvant déterminer leur déplacement, leur température à l’extérieur et à l’intérieur de ces derniers. Les nuages sont à l’origine de certaines catastrophes qui font aujourd’hui trembler le monde. Grâce à nos recherches nous pouvons penser que le réchauffement de la planète ne fera qu’amplifier la formation de nuages et donc augmenter les probabilités de tornades, orages ou autres phénomènes météorologiques dévastateurs.