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LES NUAGES Un peu nébuleux ?

Pour voler et recharger ses batteries de manière optimale, Solar Impulse doit jouir d’un bon ensoleillement. Le givre en haute altitude ou le passage dans un cumulonimbus pourrait lui être fatal. Tant l’équipe météo que les pilotes doivent connaître et prévoir ces facteurs pour éviter les dangers.

Alors en route pour cette � che dans laquelle tu pourras, pour une fois, être dans les nuages avec l’approbation de ton prof !

Projet : EPFL | dgeo | Solar Impulse

Rédaction : Marie-Noëlle Kaempf

Graphisme : Anne-Sylvie Borter, Repro – Centre d’impression EPFL

Suivi de projet : Yolande Berga

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CUMULUS, STRATUS OU CUMULONIMBUS ?

Si tu prends la peine de regarder les nuages, tu seras sans doute émerveillé par la richesse de leurs formes, de leurs transformations et des jeux de lumière que tu peux observer. Si, depuis longtemps, les hommes ont compris en observant la formation de la brume qu’il s’agit de la condensation de l’eau, il a fallu attendre le 19ème siècle pour qu’une approche plus scientifique mette de l’ordre dans ce domaine complexe et poétique ! Luke Howard (1772 - 1864), le « parrain des nuages », propose un système de classification qui compte trois fa-milles principales : les cumulus, les stratus et les cirrus. Sa nomenclature a du succès car elle peut s’appliquer aux nuages du monde entier. Faite en latin, elle traverse ainsi les barrières des langues. D’autres s’y étaient essayés avant lui, mais en vain. Ce qui fait la force de son système, c’est qu’il met en évidence la transformation des nuages. En effet, un nuage évolue et d’un cumulus peut naître un stratocumulus par exemple.

Les nuages sont donc classés selon leur forme, mais aussi selon l’altitude à laquelle se situe leur base.On peut les classer en dix genres fondamentaux.

A partir de ce jour j’n’ai plus baissé les yeuxJ’ai consacré mon temps à contempler les cieuxA regarder passer les nuesA guetter les stratus, à lorgner les nimbusA faire les yeux doux aux moindres cumulusMais elle n’est pas revenue

Extrait de la chanson « L’orage » de Brassens

Cumulonimbus

Élevé

12’000 m

7’000 m

2’000 m

Moyen

Bas

Cirrocumulus

Cirrostratus

Cirrus

Altocumulus Altostratus

Nimbostratus

Stratocumulus

Cumulus Stratus

Les nuages élevés portent le préfixe cirro- ou se nomment cirrus. Les nuages de moyenne altitude contiennent, eux, le préfixe alto. Les nuages bas sont nommés brouillards lorsqu’ils sont au contact du sol. Les nuages à développement vertical (cumulonimbus) traversent tous les étages car ils peuvent compter plusieurs milliers de mètres d’épaisseur ! Les stratus sont des nuages en couches. Les cirrus présentent un aspect fibreux alors que les cumulus sont bourgeonnants.

Valentin de Bruyn (CC-BY-SA)

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LA FORMATION DES NUAGES

Mais comment les nuages se forment-ils ? L’air contient de la vapeur d’eau. En fonction de la pres-sion et de la température, il peut en contenir une plus ou moins grande quantité sans qu’elle ne se condense. Le point de rosée de l’air est la température à laquelle il faut refroidir un volume d’air, à pression et humidité constantes, pour qu’il devienne saturé en vapeur d’eau. La condensation survient lorsque le point de rosée est atteint et que des sites de condensation sont disponibles. C’est-à-dire que les molécules d’eau sous forme de vapeur vont d’autant mieux se regrouper pour passer en phase liquide ou solide s’il y a des poussières, des impuretés ou des microgouttelettes disponibles. C’est ce phénomène qui crée les nuages, la brume, la rosée, la pluie, la grêle ou la neige.

Si l’air chargé d’humidité voit sa température diminuer fortement, la vapeur qu’il contient se condense, faisant apparaître un nuage. Ces conditions sont le plus souvent rassemblées dans l’une des trois configurations suivantes :

• Par convection. Grâce à la force d’Archimède, l’air chaud et humide monte en altitude où il fait plus frais.

• Par soulèvement orographique (nuages de barrage). L’air humide est entraîné par les vents en haut des flancs d’un massif montagneux.

Versantau vent

Versantsous le vent

T1 T2 > T1

• Par soulèvement frontal. Lorsqu’un front chaud arrive dans une zone d’air froid, l’air chaud s’élève par-dessus la masse froide. L’air s’élève lentement, formant tout d’abord des cir-rus, puis des nuages de plus en plus épais de moyenne altitude, pour finir avec des stratus de basse altitude. Ces nuages se déchargeront sous forme de pluie. Cette situa-tion peut durer 24 heures.

Si, au contraire, c’est un front froid qui arrive dans une zone d’air chaud, ce dernier est rapidement soulevé entraînant des courants de convection beaucoup plus violents. C’est dans ces conditions que les cumulonimbus se créent et que des orages se forment le long du front. Une basse pression est engendrée, qui entretiendra les vents.

Convection

Soulèvement orographique

Soulèvement frontal

air chaud

air froidantérieur

FRONT CHAUD

air chaud

FRONT FROID

air froidpostérieur

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Collectionne les nuages !

D’ici la fin de l’année scolaire, avec tes camarades de classe, arriveras-tu à prendre une photo d’un spécimen appartenant à chacun des groupes de nuages ?

Solar Impulse est un prototype construit aux limites de ce qu’offre de mieux la tech-nologie. Sa structure a été optimisée pour pouvoir voler jour et nuit à la seule énergie du Soleil. L’avion est conçu pour voler dans des conditions bien particulières et il faut s’assurer qu’il ne rencontre pas des vents trop violents ou des précipitations qui en-dommageraient la structure de l’appareil. Les conditions limites de vol sont :

• Jusqu’à 10 nœuds de vent de face

• Jusqu’à 5 nœuds de vent de travers

Il faut tout particulièrement faire attention aux vents cisaillants (des vents verticaux qui se développent sous les cumulus), qui causeraient des efforts sur les ailes pouvant endommager l’avion. Chaque mission est préparée en fonc-tion de prévisions météorologiques très détaillées pour s’assurer que le vol se déroulera dans de bonnes conditions.

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Quiz

Identifie sur ces photos de quel type de nuages il s’agit.

A

C

E

G

B

D

F

H

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LE CUMULONIMBUS, L’ENNEMI JURÉ DE L’AVIATEUR !

Les pilotes craignent les cumulonimbus ; d’autant plus ceux d’un avion alliant une grande envergure à la légèreté comme Solar Impulse. Ce sont les nuages des orages et des tempêtes violentes. Le cumulonimbus est à développement vertical. Sa base se situe en général à basse altitude et son sommet peut se développer jusqu’à une hauteur de 6’000 m à 18’000 m, at-teignant la stratosphère ! Il se forme avec les grands courants de convection. Lorsque le sol a accumulé beaucoup de chaleur grâce au rayonnement du Soleil, il réchauffe l’air. L’air chauffé au contact du sol, dont la densité est inférieure à celle de l’air de basse altitude, s’élève, créant des courants de convection. Ce mouvement peut être accentué par la rencontre d’un relief montagneux. Avec l’altitude, cet air se refroidit et l’humidité se condense. Cette condensation libère de la chaleur. Cette der-nière est récupérée par l’air saturé dont la température reste

alors plus élevée que l’air environnant, créant ainsi une aspiration qui renforce les courants de convec-tion. Ces vents ascendants peuvent atteindre une vitesse de 140 km/h. A la fin de sa formation, le som-met du cumulonimbus ressemble à une enclume, car il atteint la stratosphère où commence l’inversion de température.

Sur un petit nuage...

Observe attentivement les nuages ces pro-chains jours. Tu remarqueras que, si les som-mets de ceux-ci peuvent être bourgeonnants ou échevelés, ils sont très réguliers à leurs bases. En effet, celles-ci sont toutes à la même altitude.

Plus on monte en altitude, plus l’air se refroi-dit. On arrive à un moment où la température devient inférieure au point de rosée. La vapeur se condense et donne naissance aux nuages

A ton avis, pourquoi la limite supérieure de la « mer de brouillard » (stratus) sur la photo ci-contre est-elle aussi nette ?

Versageek (CC-BY-SA)

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LES HYDROMÉTÉORES

Hydrométéore est le nom générique qui recouvre l’ensemble des particules composées d’eau se trou-vant dans l’atmosphère. Nous avons vu que la vapeur d’eau en excès dans un nuage se condense. Les gouttelettes qu’elle forme sont microscopiques, elles mesurent un dixième de mm. Elles sont si légères qu’un faible courant ascendant les maintient dans les airs. Lorsque leur nombre devient suffisant, le nuage devient visible.

Dans un cumulonimbus où règnent de forts courants convectifs, les gouttelettes gèlent et grossissent au fur et à mesure de leur ascension dans le nuage. On obtient alors des grêlons dont la taille peut dépasser 5 mm de diamètre. Lorsque leur poids ne peut plus être compensé par la force du courant ascensionnel, les grêlons tombent dans un orage de grêle.

Les cristaux de glace se forment également dans les nuages. Il faut que le nuage contienne de l’eau en surfusion, ce qui est le cas lorsque la tem-pérature de l’eau descend doucement en-dessous de 0 °C sans que cette dernière ne se solidifie. Les poussières en suspension dans l’air servent de noyau de condensation. Les molécules d’eau s’y fixent pour cristalliser. Lorsque les cristaux commencent leur chute, ils vont s’agglomérer pour for-mer des flocons ou même fondre partiellement selon la température de l’air qu’ils traversent. Si l’air au sol est froid et sec, de magnifiques cristaux individuels parviennent parfois jusqu’à nous ! La neige, tout comme la pluie, se forme généralement dans les altostratus ou les nim-bostratus.

Lorsque le temps est humide et que la tempéra-ture est inférieure à 0 °C, l’eau cristallise, non seu-lement sur les poussières pour former des cris-taux, mais aussi contre les objets. On parle alors de givre. De même qu’un conducteur doit grat-ter sa voiture le matin, il faut dégivrer les avions. Le problème particulier des avions est que, s’ils passent dans un endroit où il y a de l’eau en sur-fusion, les gouttelettes vont former des couches de glace sur les ailes. En plus d’alourdir l’avion, la glace va modifier la forme des ailes et en réduire la portance. Si les avions sont équipés d’un sys-tème de dégivrage, ce n’est pas le cas de Solar Impulse. Il faut donc qu’il évite à tout prix de se trouver dans de pareilles conditions !

Il est intéressant aussi de relever que, lorsque Solar Impulse descend durant la nuit pendant son cycle de vol, il pourrait très bien couper les moteurs et planer. Or ce n’est pas le cas, même si cela engendre une faible consommation de l’énergie stockée dans les batteries. Les moteurs continuent de tourner… pour éviter que, sous l’effet du givre et du froid, les moteurs ne puissent plus repartir au matin. Ce ré-gime réduit permet de garantir le bon fonctionnement du système dans cet air glacial.

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LA FOUDRE

Lors d’un orage, les fortes précipitations, les vents violents ou la grêle peuvent être dangereux pour un avion. Un autre phénomène peut mettre l’avion dans une situation critique : les charges électriques qui s’accumulent dans les nuages. La forte tension qui s’établit entre le nuage et la Terre crée un champ électrique tel qu’il parvient à ioniser l’air et à le rendre conducteur. Ce champ est d’autant plus intense qu’il est à l’extrémité d’une pointe.

L’air s’ionise sous l’effet de la grande différence de potentiel.

a) Le canal conducteur ainsi formé (traceur) cherche son chemin là où l’air est le meilleur conducteur.

b) En regard de la charge négative de la base du nuage, les électrons du sol sont repoussés. La Terre présente une portion chargée positivement.

c) Des traceurs ascendants se forment également, en particulier à partir des objets effilés.

d) Lorsque deux traceurs se rencontrent, le circuit est fermé et le nuage peut se décharger.

e) Il peut y avoir plusieurs décharges successives qui permettent aux différentes zones du nuage et du sol de se neutraliser l’une l’autre.

Traceur

Traceursascendants

Point derencontre

Arc enretour

a)

c)

b)

d) e)

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Les éclairs ne démarrent pas tous avec un traceur négatif qui se dirige en direction du sol, même si les éclairs nuage – Terre sont les plus fréquents. Parfois les charges sont inversées ou l’éclair est as-cendant. Les éclairs les plus abondants sont inter-nuageux ou intra-nuageux. Ils s’établissent entre

les zones des nuages de différentes polarités. Même si l’on ne voit pas leurs décharges, elles illuminent les nuages.

Le flash éblouissant de la foudre (éclair) provient de l’air ionisé dont la température peut atteindre plus de 30’000 °C selon la décharge, soit plus que la température de surface du Soleil. Le son, lui, provient de l’air qui se dilate soudain sous l’effet de la chaleur, créant une vibration que nos oreilles perçoivent comme un bruit gigantesque (tonnerre).

Que faire en cas de foudre ? Eviter avant tout de créer un effet de pointe en se tenant debout à dé-couvert dans un espace dégagé. Un parapluie métallique accroît le danger. On ne se tiendra pas non plus sous un arbre, pour éviter de proposer un meilleur conducteur que le tronc et pour ne pas être assommé par l’arbre s’il est foudroyé. Voici un site contenant plus de renseignements sur les mesures de sécurité à prendre en cas d’orage :

http://www.apfoudre.com/20recom.htm Association Protection Foudre, Les 20 recommandations en cas d’orage

Une voiture dont la structure est métallique offre un très bon abri contre la foudre. Elle forme une cage de Faraday. C’est aussi le cas d’un avion. Les avions se font quand même foudroyer en moyenne une fois toutes les 1’000 heures de vol. Dans ce cas, le courant électrique ne circule que dans les parois métalliques et les occupants de l’avion sont protégés. Par contre, le champ magnétique qui en résulte peut, lui, dérégler ou endommager les appareils de l’avion. C’est pour cette raison qu’ils sont protégés et qu’il existe des systèmes de secours pour prendre le relais. C’est un motif de plus pour que Solar Impulse, dont la structure est constituée du moins de métal possible, évite à tout prix les zones de turbulences où il pourrait y avoir des orages !

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Exercice 1Le son et la lumière se propagent dans l’air à des vitesses différentes. On voit en premier l’événement, puis on en entend le son. Plus l’écart entre les deux informations est grand, plus l’événement est éloigné. Pour estimer la distance d’un orage, on a l’habitude de compter le nombre de secondes qui séparent l’éclair du tonnerre. On évalue la distance à 1 km pour 3 secondes de décalage.

a) J’ai compté 8 secondes entre l’éclair et le tonnerre. Calcule à quelle distance je me trouve de l’orage.b) Si l’orage est à 7 km de moi, quel intervalle de temps puis-je mesurer ?

ET TOUT CELA EN CHIFFRES…

Exercice 2Voici quelques photos de cristaux de neige de Wilson Bentley (1865-1931), le premier photographe connu de flocons de neige. Quel est le point commun de ces cristaux ?

Exercice 3Quelles isométries peux-tu identifier sur les flocons de neige. Sont-elles communes à chaque flocon ?

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Exercice 4Voici une portion de fl ocon. À toi de le compléter !

Fais de même sur ce dessin :

Et sans les lignes de support !

centre

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Exercice 5Voici un graphique qui représente le taux d’humidité de l’air en fonction de la température.

Lorsque l’humidité relative est de 100 %, l’air contient le maximum de vapeur d’eau qu’il peut absorber sans qu’elle ne se condense.

30 g

humidité relative

humidité absolue, en gram

mes d’eau par kilogram

me d’air sec

température de l’air, en degrés Celsius

point de rosée

-10°C 0°C 10°C 20°C 30°C 40°C 50°C0 g

5 g

10 g

15 g

20 g

25 g

30 g

100% 80% 60% 40%90% 70% 50%

20%

10%

30%

La combustion du carburant dans les réacteurs d’un avion produit principalement du CO2 (gaz carbonique) et de la vapeur d’eau. En sortant des réacteurs brûlants pour re-joindre l’air glacial qui règne en haute altitude, la vapeur se condense immédiatement, pour former selon les cas des gouttelettes, voire des cristaux de glace. Si l’air est sec, les traînées se résorbent rapidement, ce qui n’est pas le cas lorsque l’air est déjà proche de la saturation.

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Au contraire, dans certaines régions plus arides, l’humidité relative peut descendre en-dessous de 20 % en journée, comme dans le Sahara. L’humidité la plus indiquée pour notre organisme se situe aux environs de 50 %. On conseille de ne pas dépasser 60 % dans les habitations, pour éviter les problèmes de moisissures.

Combien de grammes sont-ils contenus par kg d’air en Malaisie si l’humidité relative est de 95 % et qu’il fait 30 °C en soirée ?

Pendant la journée, j’ai mesuré une humidité absolue de 9 grammes d’eau par kg d’air sec dans mon appartement où il faisait 25 °C. Quelle était l’humidité relative à ce moment-là ?

Si la température baissait brutalement pendant la nuit, à partir de quelle température aurais-je des problèmes de condensation ?

d) On estime que la température diminue de 1 °C (cette valeur dépend de l’humidité de l’air) lorsque l’altitude augmente de 100 m. Si l’humidité relative est de 70 % et qu’on mesure une température de 15 °C au sol, à quelle hauteur au-dessus du sol un stratus va-t-il se former ?

Océan Glacial Arctique

Océan Indien

OcéanAtlantique

OcéanPaci�que

OcéanPaci�que

ÉquatorialTropical Méditerranéen

Mousson OcéaniqueChinois

ArideContinental

MontagnardPolaire

a) Combien de grammes d’eau sont-ils contenus dans 5 kg d’air lorsqu’il fait 30 °C et une humidité relative de 30 % ?

b) A quelle température un kilogramme d’air peut-il contenir au maximum 15 g d’eau ?

c) Si tu as eu l’occasion de voyager, tu auras constaté que les pays ont des climats très différents. Les pays au climat tropical, par exemple, peuvent avoir des étés d’une moiteur éprouvante. L’humidité dans ces cas-là dépasse 95 %.

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POUR ALLER PLUS LOIN…

Exercice 6Reprenons l’évaluation de la distance à laquelle la foudre tombe. On fait l’approximation qu’un dé-calage de 3 secondes entre l’éclair et le tonnerre implique que la foudre est tombée à 1 km. Com-ment trouve-t-on cette valeur ? Sachant que la vitesse du son est de 340 m/s et celle de la lumière de 299’792’460 m/s, calcule la distance qui sépare un observateur de la foudre s’il mesure un décalage d’exactement trois secondes.

Exercice 7J’ai pris une douche. De la buée se forme sur le miroir de la salle de bain. Il fait 25 °C dans la pièce. Quelle est la masse d’eau maximale de vapeur contenue dans la pièce ?Les dimensions de la salle de bain sont de 2,5 × 3 × 2,5 m. À 25 °C, la masse volumique de l’air est de 1,17 kg/m3.

ACTIVITÉ RÉCRÉATIVE

Réalise un flocon de neige en découpant une feuille de papier que tu auras préalablement pliée.