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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.

Lorsque des particules d'air présentent une instabilité absolue, la moindre impulsion initiale suffit à déclencher un mouvement ascendant et la formation d'un nuage dont la base est située au niveau de condensation. L'extension verticale d'un tel nuage dépend du caractère de stabilité de la masse d'air; le sommet du nuage se situe au niveau de l'intersection de la courbe d'état et de la pseudo-adiabatique saturée correspondant aux particules ascendantes. Document P.P.Feyte.

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.

L'instabilité de Kelvin-Helmholt-Wellen, KHW en abrégé, participe à la création des nuages formés par turbulence, y compris en ciel clair. Ci-dessous à gauche un banc d'altostratus photographié en Australie. A droite, des cirrus. Ci-dessous un banc de stratus et des altocumulus au-dessus le l'île de Peter en Nova Scotia. Documents Giselle Goloy, Kate Calder, Brooks Martner/NOAA Wave Propagation Lab et Danny Gaudet/Digby Courier.

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.

Les nuages nacrés et mésosphériques

Nous quittons à présent la troposphère pour nous élever dans la stratosphère. 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.

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 parvenait sans difficulté jusqu'à la tropopause.

A gauche, des nuages nacrés observés à 25 km d'altitude en Finlande. A droite des nuages nacrés mésosphériques situés vers 80 km d'altitude. Documents Tom Eklund et SPL.

Aux latitudes polaires (Scandinavie), on peut régulièrement observer des nuages nacrés (noctilucent en anglais). En juin 2009 on en observa également depuis la France, la Belgique, les Pays-Bas, l'Allemagne, l'Angleterre, ainsi que dans les pays nordiques comme le révèlent les articles et les images publiés sur Spaceweather en date du 16, 17 et 18 juin 2009 notamment.

Sans qu'on puisque vraiment l'expliquer, les nuages nacrés tendent à être plus actifs lors du minimum de l'activité solaire.

Ces nuages ressemblent à nos cirrus ou nos altocumulus lenticulaires mais sont irisés ou d'un bleu électrique, phénomène à l'origine de leur nom. Ces irisations apparaissent durant le crépuscule, lorsque le Soleil est passé sous l'horizon, raison pour laquelle on ne peut les photographier qu'après le coucher du Soleil.

Malgré la stabilité de l'air à ce niveau de l'atmosphère, à l'image de l'instabilité KHW (voir ci-dessus), certains nuages nacrés présentent occasionnellement des turbulences verticales à l'image des nuages orographiques provoquées par des ondes de gravité.

Enfin, un phénomène similaire mais beaucoup plus rare se manifeste dans la mésosphère, vers 85 km d'altitude, à hauteur de la mésopause. A cette altitude, le contenu en eau de l'atmosphère est si pauvre que les nuages nacrés ne peuvent pas se former par condensation. Le processus tient essentiellement à la présence de poussières qui servent de noyaux de condensation aux particules de glace.

A cette altitude, la forme des nuages nacrés ne varie pas foncièrement par rapport à ceux de la stratosphère et les bancs sont tout aussi vastes. Ils peuvent présenter des couleurs allant du blanc-gris à l'argenté et deviennent bleus après le coucher du soleil. Ils 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.

Notons que ce phénomène n'a rien à voir avec les irisations ordinaires que l'on observe dans les altocumulus ou les différentes variétés de cirrus, les arcs circumzénitaux ou encore le phénomène de couronne associé aux cirrostratus et présentés ci-dessous.

Ces images représentent respectivement un arc circumhorizontal, un altocumulus iridescent, une couronne associée à un cirrostratus nebulosus et un halo complet. Ces phénomènes ne sont pas liés aux nuages nacrés car ils sont associés à des phénomènes troposphériques. Documents Williams Fondevilla, T.Lombry et Marko Riikonen,

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 :

Nébulosité

Qualificatif

0/8 :

Ciel serein

1/8 - 4/8 :

Peu nuageux

5/8 - 7/8 :

Très nuageux

8/8 :

Couvert

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 :

- Vérifier les prévisions météo (si un anticyclone, un front chaud ou un front froid est annoncé par exemple)

- Consulter 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. 

- Evaluer 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 supérieur à plus de 23000 pieds. Voyez si les contrails projettent ou non une ombre sur les nuages; s'il s'agit de traînées de convection l'avion vole beaucoup plus bas, entre 8-20000 pieds; s'il s'agit de traînées aérodynamiques il vole en-dessous de 15000 pieds. 

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.

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