Source: The Conversation – in French – By Auguste Gires, Ingénieur en chef des Eaux, Ponts et Forêts, chercheur au laboratoire Hydrology, Meteorology and Complexity (HM&Co), École Nationale des Ponts et Chaussées (ENPC)
Dans leur ouvrage Balade sous la pluie, paru en 2025 aux Presses des Ponts, Auguste Gires, ingénieur en chef du corps des Ponts, eaux et forêts, et chercheur au laboratoire Hydrologie, météorologie et complexité de l’École nationale des ponts et chaussées, et Eleonora Dallan, ingénieure en environnement et chercheuse au département Terre, environnement, agriculture et forêts, de l’Université de Padoue en Italie, nous emmènent en promenade pour découvrir un phénomène très courant, mais finalement peu connu : la pluie.
Pour la quatrième « escale » de ce livre-promenade, ils nous expliquent comment se forment physiquement les gouttes de pluie dans les nuages. Extrait.
N’est-il pas surprenant que tous ces cumulus (nuages cotonneux de basse altitude) semblent se former à la même altitude ? En réalité, cela est lié à la façon dont les nuages, et plus largement les précipitations, sont générés. Sur Terre, les conditions de température et de pression permettent à l’eau d’exister naturellement dans trois états : liquide (comme dans les océans, les rivières, ou l’eau du robinet), solide (tel que la glace, la neige, la grêle, la pluie verglaçante), et gazeuse, dans l’air sous forme de vapeur invisible. Les interactions entre ces trois états sont, entre autres, à l’origine de la pluie.
Les noms des nuages
- STRATUS/STRATO : étendu, couche, continu ;
- CUMULUS/CUMULO : amas, moutonneux ;
- CIRRUS/CIRRO : filament, fin ;
- NIMBUS/NIMBO : porteur de pluie.
- ALTO : moyen (même si altus en latin signifie « haut ») Par exemple, un altocumulus, est un nuage moutonneux de moyenne altitude.
La plupart des noms de nuages comportent des racines et qualificatifs latins,
dont l’association donne une indication sur le type de nuage désigné, notamment :
Tout commence par l’évaporation, c’est-à-dire qu’une partie de l’eau liquide présente à la surface de la Terre s’évapore sous l’action du soleil. La vapeur d’eau se mélange à l’air ambiant près de la surface. Cet air, réchauffé par le soleil, devient plus chaud que celui du dessus. Sa masse volumique devient plus faible que celle de l’air qui l’entoure (on dit qu’il est plus léger dans le langage courant), ce qui facilite sa montée. En effet, les molécules qu’il contient bougent plus vite sous l’effet de la chaleur et occupent alors plus de place, tout en gardant la même masse.
En raison de la baisse de la température avec l’altitude, généralement d’environ 6,5 °C tous les 1 000 mètres, l’air initialement chaud se refroidit progressivement en montant. Il s’avère que la quantité de vapeur d’eau que l’air peut contenir diminue avec sa température (environ 7 % par degré). Dans un air plus froid, les molécules sont plus proches les unes des autres, ce qui réduit l’espace disponible pour d’autres molécules de gaz comme la vapeur d’eau. C’est la relation de Clausius-Clapeyron.
Ainsi, à une altitude donnée, qui dépend de la température et de la quantité initiale de vapeur d’eau, l’air devient saturé et ne peut plus contenir autant de vapeur d’eau qu’au moment de l’évaporation, quand l’air était encore proche de la surface. Les spécialistes appellent cela le point de rosée. Une partie de l’eau se condense et retrouve sa forme liquide d’origine. La formation de ces gouttelettes de nuages se fait généralement autour de noyaux de condensation, comme une poussière, de la glace ou du sel. Elles sont beaucoup plus petites que les gouttes de pluie dont nous avons parlé précédemment, avec une taille proche de 0,02 millimètre. Ces gouttelettes sont si petites que les turbulences de l’air ambiant sont suffisamment fortes pour les maintenir en suspension dans l’air, les empêchant de tomber au sol. Cette concentration de gouttelettes dans l’air forme un nuage. Le processus peut également se produire à température négative, et dans ce cas, le nuage est constitué de petits cristaux de glace.
D’une certaine manière, vous êtes tous témoins de la formation de nuages au quotidien. Profitons justement des températures hivernales. Inspirez, expirez… Vous remarquerez qu’une sorte de petit nuage se forme en expirant. Oui, il s’agit bien d’un petit nuage ! L’air qui sort de vos poumons, chaud et humide, rencontre de l’air plus frais dans l’atmosphère extérieure. Une partie de la vapeur d’eau qu’il contient se condense et forme des gouttelettes.
Le même phénomène est à l’œuvre lorsque vous faites bouillir de l’eau. Juste au-dessus de l’eau chaude dans la casserole, l’air est très chaud et contient beaucoup de vapeur d’eau. En remontant, il rencontre de l’air plus frais et une partie de l’eau se condense en gouttelettes. Ce que vous voyez n’est donc certainement pas de la vapeur d’eau, qui est invisible, mais bien un petit nuage.
La quantité d’eau liquide contenue dans les nuages, soit la teneur en eau liquide, varie fortement en fonction du type de nuages. Elle est exprimée en masse d’eau liquide par unité de volume d’air, en gramme par mètre cube (g/m3). Elle présente une très grande variabilité d’un nuage à l’autre, voire au sein d’un même nuage. Les ordres de grandeur peuvent aller de 0,06 g/m3 pour des nuages non précipitants comme les cirrus, des nuages de haute altitude, à 0,4 g/m3 pour des nuages engendrant des pluies, tels que les stratocumulus,** **qui sont à plus basse altitude. Les valeurs sont plus élevées pour les cumulonimbus, dont il sera question lors de la prochaine escale.
Qu’en est-il de la pluie ? Pour qu’elle se forme, il faut que les gouttelettes contenues dans les nuages grossissent de façon à être suffisamment lourdes pour tomber. Cela se produit principalement grâce à deux processus.
Le premier, le processus Wegener-Bergeron-Findeisen, implique la croissance de cristaux de glace dans des nuages en phase mixte. Ces nuages, caractérisés par des températures négatives, contiennent simultanément de l’eau dans ses trois états : de la glace, de l’eau surfondue (de l’eau en dessous de 0 °C, mais pas encore solidifiée) et de la vapeur d’eau. Dans cet environnement sous-saturé en eau liquide, celle-ci s’évapore rapidement, tandis que la vapeur d’eau se dépose tout aussi vite dans les cristaux de glace, entraînant une croissance soudaine de ces derniers. Le deuxième est la coalescence. Dans les nuages contenant assez de gouttelettes, certaines d’entre elles entrent en collision au cours de leur mouvement, fusionnent et grossissent progressivement.
Les auteurs ne travaillent pas, ne conseillent pas, ne possèdent pas de parts, ne reçoivent pas de fonds d’une organisation qui pourrait tirer profit de cet article, et n’ont déclaré aucune autre affiliation que leur organisme de recherche.
– ref. Comment se forment les gouttes de pluie ? – https://theconversation.com/comment-se-forment-les-gouttes-de-pluie-280285