Condensation et formation des nuages

L’air qui monte de 1 km refroidit de 9.8 °C jusqu’à saturation, d’où les bases plates des nuages.

Un verre froid par temps chaud

Sors une canette de boisson froide du réfrigérateur par temps humide : en une minute, sa surface est mouillée. L’eau n’a pas traversé la canette. Elle vient de l’air. L’air au contact du métal froid refroidit ; comme l’air frais peut contenir moins de vapeur que l’air chaud, l’excédent se condense en liquide. C’est la condensation, l’inverse de l’évaporation, et c’est exactement ainsi que les nuages se forment.

La NOAA l’explique avec deux températures : celle de l’air et le point de rosée. Le point de rosée est la température à laquelle l’air devient saturé. Refroidis l’air en dessous : la vapeur commence à se condenser. Près du sol, quand la température de l’air égale le point de rosée, du brouillard se forme souvent.

L’air qui monte se refroidit lui-même

La façon la plus courante de refroidir l’air jusqu’au point de rosée est de le faire monter. La pression diminue avec l’altitude : une bulle d’air ascendante, ou parcelle d’air, se dilate donc. Cette dilatation prélève de l’énergie à la parcelle elle-même, qui refroidit sans perdre de chaleur vers l’extérieur. Les météorologues parlent de refroidissement adiabatique. Pour l’air sec, la baisse est de 9.8 °C par kilomètre de montée : c’est le gradient adiabatique sec.

Par exemple, au sol, l’air est à 30 °C avec un point de rosée de 18 °C. En montant, la température baisse d’environ 9.8 °C par km et le point de rosée d’environ 1.8 °C par km. L’écart de 12 °C diminue de 8 °C par km : le niveau de condensation par ascendance se trouve donc à environ 12 ÷ 8 = 1.5 km au-dessus du point de départ. Les premières gouttelettes apparaissent là. Comme l’air de toute la zone a une température et une humidité proches, il atteint la saturation à peu près à la même hauteur. Cette hauteur commune forme la base plate d’une rangée de cumulus un après-midi d’été.

Un grain au centre de chaque gouttelette

Les gouttelettes de nuage se forment généralement quand la vapeur d’eau se condense sur des particules d’aérosol appelées noyaux de condensation. Le sel marin, la poussière, la fumée et les cendres volcaniques peuvent fournir ces particules. L’activation dépend de leur taille, de leur composition et du dépassement de la saturation par l’humidité, et non d’un rayon minimal universel. La gouttelette devient bien plus grande que son noyau et reste presque entièrement composée d’eau pure.

La condensation restitue aussi l’énergie absorbée par l’évaporation. Quand la vapeur devient liquide, elle libère de la chaleur dans l’air environnant. Cette chaleur rend l’air nuageux plus léger : il monte davantage, condense encore et libère encore plus de chaleur. La NOAA souligne que cette libération contribue à la formation des ouragans. Un nuage n’est jamais achevé : sur ses bords, les gouttelettes s’évaporent tandis que d’autres se forment à l’intérieur. C’est pourquoi sa forme change sous tes yeux.