Vulgarisation scientifique - Les nuages et l'atmosphère

L'atmosphère est divisée en plusieurs couches :

• La troposphère : c’est la première couche de l’atmosphère, nous vivons dedans, elle s’étend sur une altitude allant jusqu’à 15 kilomètres. La troposphère représente à peu près 80% de la masse totale de l’atmosphère. C’est dans celle-ci que circulent les avions et que les nuages se développent.
• La stratosphère : seconde couche de l’atmosphère, elle se situe entre 6 et 50 kilomètres d’altitude au maximum. Dans celle-ci, contrairement à la troposphère, plus on monte, plus la température augmente à cause du Soleil. Mais elle reste tout de même très froide, aux alentours de 270 Kelvin, soit -3°C. C’est dans cette couche que l’on trouve du chlorofluorocarbone (CFC), le CFC est dangereux pour la couche d’ozone.
• La mésosphère : d’une altitude de 50 à 80 kilomètres, elle représente une zone de transition entre l’atmosphère de la Terre et l’espace. C’est dans cette couche que les météorites ou autres objets pas trop gros sont désintégrés en s’échauffant contre l'air qu’il y a. Les engins spatiaux doivent se protéger de cette couche pour retourner sur Terre.
• La thermosphère : Elle commence à environ 90 kilomètres d’altitude et finit beaucoup plus haut, jusqu’à environ 600 kilomètres, mais cette valeur peut varier. Une très grande température y règne, pouvant atteindre les 1600°C. Mais la température ressentie peut aller jusqu’aux 30°C, à cause de la faible densité de matière.
• L'exosphère : dernière couche de l’atmosphère. Elle n’a pas vraiment de fin car la densité de matière y est vraiment très faible. Elle peut commencer à 600 kilomètres d’altitude.

Les nuages :

Tout d’abord, nous devons savoir ce que sont réellement les nuages. Les nuages sont des amas de gouttelettes d’eau en suspension dans la troposphère, la première couche de l’atmosphère. Les nuages peuvent atteindre une masse de plusieurs millions de tonnes !

Les gouttelettes se forment grâce à la condensation (gaz → liquide) de l’eau de l’atmosphère. Pour le comprendre, il faut savoir qu'une masse d'air ne peut contenir qu'une certaine quantité de vapeur d'eau, qui dépend de la température.

Plus l'air est chaud, plus il peut être chargé en vapeur d'eau. Lorsqu'une masse d'air chaud saturée en vapeur d'eau se refroidit, une partie de l'eau qu'elle contient sous forme gazeuse va se condenser (gaz → liquide) et former des gouttelettes.

On observe dans l’atmosphère des aérosols, des microparticules de matière solide. Les gouttelettes d’eau vont s’agglomérer autour. Ces microparticules sont appelées des noyaux de condensation, d’une taille de 0,2 micromètre (µm). Sans elles, les gouttelettes d’eau auraient beaucoup plus de mal à se former.

Dans l'atmosphère, les nuages se forment donc par refroidissement d'une masse d'air humide. Ce refroidissement est provoqué soit par contact avec une surface plus froide, soit, le plus souvent, par soulèvement dans l'atmosphère. En prenant de l'altitude, la pression d’une masse d'air diminue, ce qui la refroidit.

Le nuage croît ensuite grâce à l'effet Bergeron (en bref, il s'agit de l'échange perpétuel des gouttelettes d'eau liquide vers l'eau solide des cristaux de glace jusqu'à ce qu'ils deviennent trop lourds).

Enfin, les nuages font partie intégrante du cycle de l'eau. Lors de celui-ci, l'eau évaporée des fleuves, mers, océans et des arbres, par processus d'évapotranspiration pour ces derniers, va s'accumuler dans l'atmosphère en gaz, vapeur d'eau, puis se condenser de façon à former des nuages qui vont quant à eux voyager (étant donné que la Terre tourne) jusqu'à atteindre un lieu où ils vont donner des précipitations.

On observe différents types de nuages :

• Le stratus et le stratocumulus : à l'étage inférieur (2 km d'altitude)
• L'altocumulus et l'altostratus : à l'étage moyen (2 à 7 km d'altitude)
• Le cirrus, le cirrocumulus et le cirrostratus : à l'étage supérieur (plus de 5 km d'altitude, composés de cristaux de glace)
• Le nimbostratus, le cumulus et le cumulonimbus ont quant à eux un développement vertical important et occupent donc plusieurs étages.

Si le processus de condensation se produit près du sol, on obtient du brouillard, on appelle ce phénomène le refroidissement par la base.

Les précipitations

Tous les nuages ne peuvent pas engendrer toutes les formes de précipitations :

• La pluie : altostratus, nimbostratus, stratocumulus, cumulus et cumulonimbus
• La bruine (petite pluie très fine et froide, qui résulte de la condensation du brouillard) : stratus
• La neige : altostratus, nimbostratus, stratocumulus et cumulonimbus
• Le grésil (grêle fine, blanche et dure) : cumulonimbus
  
• La grêle : cumulonimbus

Les orages :

Un orage est une perturbation atmosphérique d'origine convective associée à un type de nuage particulier : le cumulonimbus (aussi appelé le nuage d’orages). Il engendre des pluies fortes à diluviennes, des décharges électriques de foudre accompagnées d’éclairs et de tonnerres.

L'orage est généralement un phénomène de courte durée : de quelques dizaines de minutes à quelques heures. Dans certaines conditions, des orages peuvent engendrer de fortes précipitations qui peuvent conduire à des inondations. Deux phénomènes (principalement en été) favorisent l’apparition d’orages :

• Le relief qui force l'air emporté par le vent à s'élever le long des pentes.
• L'échauffement des basses couches atmosphériques au contact du sol lors des journées ensoleillées d'été. 

Les orages surviennent plus en fonction des saisons, ainsi, très peu d’orages en France sont observés en janvier et février. Après, le nombre d’orages augmente de plus en plus jusqu’à son maximum en juillet ou en août. À partir de septembre ou octobre, le nombre d’orages diminue grandement.

Les orages se forment lorsque l'atmosphère est instable, avec de l'air chaud près du sol et froid en altitude. Le nuage est balayé de courants de vents verticaux très violents (pouvant dépasser 130 km/h) qui créent un frottement entre les particules qui le composent. Ce frottement provoque l’électrisation du nuage : les particules chargées négativement (les plus lourdes) se regroupent à la base du nuage tandis que les particules chargées positivement vont vers le sommet.

En électricité, les opposés s’attirent, les charges négatives cherchent donc à rejoindre les charges positives du sol ou du sommet du nuage. Il y a donc une décharge électrique : un éclair. Les piles fonctionnent d’une façon similaire : un traceur positif va chercher à rejoindre un traceur négatif, ou inversement.

Lors d'un orage, l'éclair est le résultat visible de l’embrasement de l'air (l’air s’enflamme), Ils peuvent faire de 100 mètres à 20 kilomètres de long pour une épaisseur de 3 centimètres et une vitesse de 40 000 km/s, tandis que le tonnerre est le bruit émis lors de la propagation de la vibration de l'air le long de cette décharge électrique.

En quelques millièmes de seconde, l'air peut atteindre une température de 30 000 °C. Ces mouvements brusques et successifs génèrent des ondes sonores à l'origine des claquements, grondements et roulements du tonnerre. Un éclair est désigné sous le nom de foudre lorsqu'il atteint la surface terrestre.

Il existe deux différents types de coups de foudre :

• Descendant négatif : le plus commun (95% des cas).
• Descendant positif : les éclairs sont très puissants (ils sont aussi appelés superbolts ou mégabolts et interviennent en fin d'épisodes orageux).
• Ascendant positif : un traceur positif se développe à partir du sol pour rejoindre un traceur négatif dans le ciel.
• Ascendant négatif : les éclairs se dirigent également vers le haut, pour rejoindre un traceur positif, dans le haut du nuage.

Pour finir, vous pouvez connaître la distance qui vous sépare d'un éclair en divisant par 3 le nombre de secondes entre l'éclair (la lumière) et le tonnerre (le bruit).