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Météorologie élémentaire La formation des nuages (III) Les nuages de convection Le rayonnement solaire diurne entraîne un réchauffement progressif des couches d'air en contact avec le sol. Ce réchauffement se propage dans les basses couches de l'atmosphère dont la courbe d'état se modifie peu à peu en demeurant sensiblement parallèle aux adiabatiques sèches du fait de la turbulence. Toutefois, les couches d'air directement en contact avec le sol ont un gradient superadiabatique (leur courbe d'état est inclinée vers la gauche des adiabatiques sèches), elles sont donc en instabilité absolue.
Les nuages formés par turbulence La turbulence peut être définie comme le résultat de tourbillons à axes horizontaux. Une turbulence plus ou moins régulière peut se rencontrer à n'importe quelle altitude tant en atmosphère claire que dans les nuages; elle est cependant une des caractéristiques des basses couches où elle est toujours présente pour peu que le vent au sol ne soit pas nul. La turbulence provoque un mélange des couches d'air, distribue plus ou moins régulièrement la vapeur d'eau et apporte des changements adiabatiques dans les courants ascendants et descendants qu'elle provoque. Il est clair que chaque fois que l'humidité est suffisante, les mouvements ascendants dus à la turbulence peuvent provoquer la saturation et la formation de nuages. Selon l'altitude de la couche turbulente, les nuages formés seront de l'un des types suivants : stratus, stratocumulus, altocumulus ou cirrocumulus. Certaines formes de stratocumulus élevésn d'altocumulus et de cirrus s'expliquent par une couche turbulente due à un changement rapide de vent (en direction et/ou vitesse) avec l'altitude, c'est l'instabilité de Kelvin-Helmholt-Wellen, KHW dont on voit quelques beaux exemples ci-dessous. Notons que vus par dessous, ces nuages peuvent par exemple former des rues de stratocumulus undulatus plus ou moins espacées.
Les nuages bas qui se forment brusquement au lever du Soleil sont dus à une augmentation de la turbulence provoquée par le rayonnement solaire. Ces nuages disparaîtront plus ou moins rapidement en fonction de l'augmentation plus ou moins rapide de la température. Ils se transformeront généralement en stratocumulus et en cumulus ensuite; cependant, il est possible que dans certaines conditions il n'existe plus aucun nuage après leur disparition. Les nuages frontaux Le processus de formation de ces nuages est identique à celui des nuages orographiques; de l'air plus froid remplaçant le relief étant à l'origine du soulèvement. Une description détaillée de ces nuages est donnée dans le chapitre consacré aux fronts et perturbations. La stratosphère Nous quittons à présent la troposphère pour nous élever dans la stratosphère qui s'étend en moyenne entre 12 et 50 km d'altitude. Vers 25 km d'altitude, il existe encore suffisamment d'air et d'humidité pour y trouver des particules de glace et d'eau surfondue qui se forment par condensation. Le milieu est stratifié en raison de contraintes thermodynamiques dont la tropopause est le plus bel exemple. En effet, cette barrière empêche les échanges d'eau et de chaleur dans le plan vertical et isole les nuages troposphériques de ceux que l'on rencontre dans la stratosphère et la mésosphère (voir ci-dessous). Des éléments de la troposphère atteignent malgré tout la stratosphère suite à des éruptions volcaniques ou, comme ce fut le cas jadis, en raison des essais nucléaires en atmosphère libre dont la canopée des nuages atomiques des bombes les plus puissantes atteignait sans difficulté la tropopause. Les nuages noctulescents (mésosphériques) Les nuages noctulescents (noctilucent clouds ou NLC en anglais) parfois appelés nuages nacrés ou mésosphériques se forment dans des conditions particulières. Première condition, la température de la mésosphère doit être inférieure à -120°C. Curieusement, cela se produit uniquement pendant l'été dans l'hémisphère nord, raison pour laquelle on les observe principalement entre juin et juillet.
À mesure que la couche d'air se réchauffe et se dilate dans la basse atmosphère (la troposphère et la stratosphère), la thermosphère située juste au-dessus de la stratopause (50 km d'altitude vers 50°N) et qui s'étend jusqu'à la limite de l'espace (800 km d'altitude) se refroidit et davantage de vapeur d'eau se retrouve dans la haute atmosphère. Notons que ses dernières années on a observé un refroidissement et une contraction de la mésosphère en raison du changement du climat (cf. NASA). A partir de ~80 km d'altitude vers 50° de latitude Nord, de l'humidité qui semble provenir de la réaction du dioxyde de carbone (CO2) et du méthane (CH4) rencontre la poussière météoritique et s'y accumule. S'il fait suffisamment froid, ce mélange facilite la condensation de la vapeur d'eau et la transforme en minuscules cristaux de glace grâce au processus nucléation et forme des nuages noctulescents. Malgré la stabilité de l'air à ce niveau de l'atmosphère, à l'image de l'instabilité KHW (voir plus haut), certains nuages noctulescents présentent occasionnellement des turbulences verticales à l'image des nuages orographiques provoquées par des ondes de gravité. Durant le crépuscule nautique, lorsque le Soleil descend entre 6 et 12° sous l'horizon et que les étoiles apparaissent dans le ciel (et inversement à l'aube), la lumière du Soleil se réfléchit sur ces cristaux de glace qui les font briller dans la nuit d'une lueur blanche ou bleutée comme s'ils étaient rétro-éclairés. Les nuages noctulescents présentent leur brillance maximale à la fin du crépuscule astronomique (lorsque le Soleil est >18° sous l'horizon, environ 2 heures après le coucher du Soleil) du fait de la lumière rasante, pour décliner ensuite en raison de l'obscurité. Ils forment des bancs brillants et semi-transparent derrière lesquels on peut encore voir les étoiles. Les nuages noctulescents peuvent présenter des couleurs allant du blanc-gris à l'argenté et deviennent bleus après le coucher du Soleil. Ces nuages diffusent aussi les couleurs du fond du ciel allant de l'orange au bleu électrique, phénomène à l'origine de leur nom. A consulter : Noctilucent clouds monitoring (CZ) - Radar mésosphérique (All.)
Comme le montrent les photos ci-jointes, leur forme ne varie pas foncièrement par rapport aux cirrus et les bancs sont tout aussi vastes. Ils prennent de nombreuses formes qui semblent onduler comme des vagues, avec des creux, des crêtes et des lacunes, les faisant ressembler à la surface d'une mer ondulante ou un voile laiteux se déplaçant lentement dans le ciel. Malgré leur faible luminosité, ils se prêtent bien à des vidéos ou des photographies en time-lapse (exposées quelques secondes) comme illustré ci-dessous. Aux latitudes polaires (Scandinavie ou Canada), on peut régulièrement observer des nuages noctulescents. En juin 2009, on en observa également non seulement dans les pays nordiques mais jusqu'en Angleterre, aux Pays-Bas, en Belgique et en France comme le révèlent les articles et les images publiés sur Spaceweather en date du 16, 17 et 18 juin 2009 notamment. Entre le 18 juin et le 16 juillet 2022, avant l'aube on put en observer jusqu'à Paris (48.5°N). Plus rare encore, le 16 décembre 2022, on en observa à San Fancisco (38° N). Malheureusement, on peut scruter le ciel crépusculaire ou à l'aube en été pendant des jours et des semaines sans rien observer. Vers 50-55°N, ces nuages évoluent vers 82-85 km d'altitude et sont suivis par différents programmes d'études. Quand ils se profilent derrière des nuages bas (cumulus et stratocumulus) sombres qui se déplacement rapidement, on distingue clairement l'altitude beaucoup plus élevée des nuages noctulescents. A
voir : Noctilucent
Clouds timelapse 15.06.2019, Jutland Noctilucent clouds timelapse 2018 - 4K, Night Light Films Closer to the noctilicent clouds - Research Season 2017 in 4K, Project PoSSUM
Selon une nouvelle étude publiée dans la revue "Earth and Space Science" en 2022, les lancements de fusées le matin sont en partie responsables de l'apparition des nuages nacrés. Selon Michael Stevens du Naval Research Laboratory et auteur principal de cet article, "Le trafic spatial joue un rôle important dans la formation et la variation de ces nuages". Il s'agit d'une découverte importante car les scientifiques tentent de comprendre si l'augmentation des nuages noctulescents est liée au changement climatique, aux activités humaines, ou éventuellement aux deux. Stevens et son équipe ont étudié les données sur les nuages noctulescents enregistrées par l'instrument CIPS (Cloud Imaging and Particle Size) du satellite AIM (Aeronomy of Ice in the Mesosphere) de la NASA lancé en 2007 et géré par le centre Goddard pour déterminer pourquoi les nuages noctulescents se forment et varient dans le temps. Les chercheurs ont comparé les observations de l'AIM au moment des lancements de fusées au sud de 60°N. L'analyse révéla une forte corrélation entre le nombre de lancements qui eurent lieu entre 23 h et 10 h du matin, heure locale, et la fréquence des nuages noctulescents observés entre 56 et 60°N. En d'autres termes, plus il y avait de lancements matinaux, plus les nuages noctulescents apparaissaient aux latitudes moyennes. Des études antérieures ont montré que la vapeur d'eau libérée dans l'atmosphère par les lancements des navettes spatiales peut provoquer une augmentation des nuages noctulescents près des pôles. Selon Stevens, "La prévalence des nuages noctulescents aux latitudes moyennes, cependant, a été entourée de mystère et la cause sous-jacente a été contestée." La dernière navette spatiale fut lancée en 2011, mais d'autres fusées ont transporté des satellites et des astronautes dans l'espace depuis lors, ajoutant de la vapeur d'eau (et du gaz carbonique) dans l'atmosphère. Stevens conclut que "cette étude montre que le trafic spatial, même après l'arrêt des lancements de navettes spatiales, contrôle la variabilité d'une année à l'autre des nuages noctulescents des latitudes moyennes."
Les chercheurs ont également analysé les vents juste au-dessus des nuages noctulescents et ont découvert que les vents se déplaçant vers le nord étaient les plus forts lors de ces lancements matinaux. Cela suggère que les vents peuvent facilement transporter les gaz d'échappement des lancements de fusées du matin à des latitudes plus basses, comme de la Floride ou du sud de la Californie, vers les pôles où les gaz d'échappement de la fusée se transforment en cristaux de glace et descendent pour former des nuages. Stevens conclut : "Les changements dans le nombre de nuages noctulescents aux latitudes moyennes sont en corrélation avec les lancements de fusées du matin, conformément au transport des gaz d'échappement par les marées atmosphériques." De plus, les observations n'ont révélé aucune tendance générale à la hausse ou à la baisse de la fréquence des nuages noctulescents aux latitudes moyennes sur la durée de l'étude, ni aucune corrélation entre leur fréquence et le cycle solaire de 11 ans (on n'en était pas certain jusqu'en 2022), ce qui indique que les changements du rayonnement solaire n'influencent pas la formation de ces nuages d'une année à l'autre. Selon John McCormack, du programme héliophysique de la NASA et coauteur de cet article, "Cette étude, reliant les changements de fréquence des nuages mésosphériques aux lancements de fusées, nous aide à mieux comprendre les changements observés à long terme dans l'occurrence de ces nuages." Cette étude ainsi que les efforts pour modéliser les processus de formation des nuages dans des conditions atmosphériques changeantes, aident les scientifiques à comprendre à quel point les changements observés dans les nuages noctulescents sont induits naturellement et à quel point ils sont influencés par les activités humaines. A ce titre, plusieurs associations récoltent les photos et les films de nuages noctulescents dont Spaceweather, le projet PoSSUM et le groupe Facebook Noctilucent clouds around the world. Notons que ce phénomène n'a rien à voir avec les formations et lueurs qu'on observe parfois dans la tropopause comme les arcs circumzénitaux, les irisations des nuages, le phénomène de couronne associé aux cirrostratus ou encore les halos dont quelques exemples sont présentés ci-dessous.
Observation des nuages Quand on observe les nuages, plusieurs variables sont à considérer : - La nébulosité ou quantité de nuages - Le genre de nuage - La hauteur de la base des nuages La nébulosité est observée et renseignée en nombre de huitièmes de ciel couvert par chaque couche nuageuse et par l'ensemble des nuages. La nébulosité est donc déterminée par l'observation au sol en divisant mentalement le ciel en huit quadrants et en estimant le nombre de parties couvertes par les nuages. Dans certaines circonstances (prévision destinée au public) on utilise des qualificatifs plus explicites :
Le genre de chaque couche de nuages, de même que l'espèce et la variété éventuelles sont déterminés par l'observation en fonction des descriptions complètes de chaque genre, espèce et variété. La hauteur de la base des nuages peut être estimée visuellement. On peut également utiliser un ballon plafond, procédé qui consiste à mesurer le temps mis par un ballon, de vitesse ascensionnelle connue, pour s'élever du sol jusqu'à la base des nuages. Enfin, le phare à nuage, le télémètre, le ceilomètre et le Lidar constituent les outils les plus précis. Nous y reviendrons lorsque nous discuterons des instruments. Dans le cas des cumulus, nous pouvons estimer la base des nuages en utilisant la formule d'Espy : Hmètre = 122 (T-Td) avec T, la température extérieur et Td la température du point de rosée, exprimées en degrés et dixièmes. La meilleure observation des nuages (genre, base, sommet) ne peut s'effectuer qu'à partir d'un avion et les météorologistes sont toujours autorisés à demander un "weather report" ou "PIREP" au prochain pilote prêt à décoller. Cette assistance météorologique est très importante et peut s'avérer capitale d'un point de vue opérationnel quand il y a des pilotes débutants en vol et que le temps se dégrade. Si vous prenez de temps en temps l'avion, n'hésitez pas à visiter le poste de pilotage. Malgré les dispositions de sécurité, si vous invoquez un intérêt pour la photographie, la météo ou l'aviation, on vous accordera peut-être ce privilège, quitte à proposer à l'équipage quelques photographies en échange. Remarques à propos de l'identification des nuages Il n'est pas toujours aisé d'identifier le genre auquel appartient un nuage. Ainsi que nous l'avons dit, l'aspect d'un nuage dépend essentiellement de la nature, des dimensions, du nombre et de la répartition dans l'espace de ses particules constitutives; il dépend aussi de l'intensité et de la couleur de la lumière reçue par le nuage, ainsi que des positions relatives de l'observateur et de la source de lumière par rapport au nuage. L'identification se complique sur les sites en altitude où ce que l'on prend par exemple pour des stratocumulus sont en réalité des altocumulus. Quand il s'agit de nuages lenticulaires, seule une évaluation réelle de la hauteur du nuage par rapport au niveau de la mer permet de déterminer s'il appartient à l'étage moyen ou inférieur (plus haut ou plus bas que 6500 pieds). Lorsque la hauteur est connue il est facile de l'identifier.
Méthodes visuelles d'identification A défaut d'instrument, l'amateur comme le professionnel peuvent envisager plusieurs méthodes visuelles pour déterminer la hauteur de la base des nuages : - Vérifiez les prévisions météo (si un anticyclone, un front chaud ou un front froid est annoncé par exemple). - Consultez les bulletins météo émis par l'aviation (SYNOP, METAR, SPECI, TAF, PIREP, etc). La plupart sont accessibles sur Internet, parfois moyennant finance, soit en décodant directement les messages transmis par ondes-courtes. - Rappelez-vous la définition des différents nuages (les altocumulus par exemple ont une largeur de 1 à 5° maximum). - Au coucher ou au lever du Soleil observez sur quels nuages tombe la lumière du Soleil. - Essayez également de trouver des repères dans le ciel : des nuages bas ou élevés qui permettraient de préciser l'altitude des nuages intermédiaires. - Evaluez la vitesse de déplacement des nuages : plus ils sont rapides plus ils sont bas. - Quand il s'agit de nuages moyens ou bas, attendez une demi-heure voire une heure que le banc de nuages passe au-dessus de vous. Les dimensions et la forme du banc auront changées, mais vous pourrez facilement identifier les cellules individuelles et déterminer le genre du nuage. - Pour les nuages élevés, essayez de localiser un avion de passage et tenter de déterminer s'il passe au-dessus ou en dessous de la couche nuageuse. Si l'avion présente des contrails, il se trouve dans l'étage moyen ou supérieur. Voyez si les contrails projettent ou non une ombre sur les nuages; s'il s'agit de traînées de convection, l'avion vole plus bas (8000-20000 pieds); s'il s'agit de traînées aérodynamiques il vole en dessous de 15000 pieds. - Si vous êtes en avion, son altitude permettra de connaître l'étage de la couche que vous observez. En cas de doute, demandez au pilote. Dans des conditions de faible éclairement (aube, crépuscule) ou durant la nuit, la marge d'erreur peut être très importante si vous n'avez aucun repère : un plafond de 7/8 d'altocumulus peut se transformer en stratocumulus, des cumulus deviennent des stratus bas... Aussi le passage d'un avion d'un ligne ou l'éclairage des villes projeté sur la base des nuages peut vous aider à mieux apprécier la hauteur réelle des formations. Quand il y a une éclaircie, la clarté de la Lune est aussi très précieuse pour identifier les nuages élevés et moyens. A voir : Description des nuages en images
Enfin, comme pour beaucoup de choses, c'est l'habitude de l'observation qui vous aidera à long terme. Il faut compter au moins six mois pour qu'un observateur-météorologiste estime la hauteur des nuages avec une précision de l'ordre de 100 m ou 300 pieds. En région tropicale, la précision sera de 1000 pieds. Bien sûr si vous disposez d'un instrument de mesure optique la comparaison directe avec votre estimation visuelle vous permettra rapidement de vous améliorer. Si vous êtes pilote (d'avion le ligne, de tourisme, de planeur), votre expérience sur le terrain sera précieuse car vou aurez la possibilité de confronter vos observations visuelles aux rapports météorologiques (TAF, METAR, PIREP, etc) ainsi qu'aux indications de l'altimètre et optionnellement du Lidar. Arrivé à ce stade la météo ne sera plus un passe-temps mais un véritable hobby. Prochain chapitre
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