{"id":8382,"date":"2018-01-05T17:01:52","date_gmt":"2018-01-05T16:01:52","guid":{"rendered":"https:\/\/sciencetonnante.wordpress.com\/?p=8382"},"modified":"2018-01-05T17:01:52","modified_gmt":"2018-01-05T16:01:52","slug":"dou-viennent-les-nuages","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/scienceetonnante.com\/blog\/2018\/01\/05\/dou-viennent-les-nuages\/","title":{"rendered":"D&rsquo;o\u00f9 viennent les nuages ?"},"content":{"rendered":"<p>La vid\u00e9o du jour parle d&rsquo;un sujet en apparence banal : les nuages !<\/p>\n<p><iframe title=\"D&#039;o\u00f9 viennent les nuages ? \u2014 Science \u00e9tonnante #50\" width=\"770\" height=\"433\" data-src=\"https:\/\/www.youtube.com\/embed\/lqg-4TpReo4?feature=oembed\" frameborder=\"0\" allow=\"accelerometer; autoplay; encrypted-media; gyroscope; picture-in-picture\" allowfullscreen src=\"data:image\/svg+xml;base64,PHN2ZyB3aWR0aD0iMSIgaGVpZ2h0PSIxIiB4bWxucz0iaHR0cDovL3d3dy53My5vcmcvMjAwMC9zdmciPjwvc3ZnPg==\" class=\"lazyload\" data-load-mode=\"1\"><\/iframe><\/p>\n<p>Plein de compl\u00e9ments \u00e0 ajouter \u00e0 cette vid\u00e9o, car le th\u00e8me touche plusieurs domaines de la science !<!--more--><\/p>\n<h3>La zoologie des nuages<\/h3>\n<p>Tout d&rsquo;abord, vous aurez remarqu\u00e9 que je me suis gard\u00e9 d&rsquo;aborder l&rsquo;\u00e9pineuse question de la classification des nuages. Il en existe de nombreuses sortes, avec des genres, des esp\u00e8ces et des vari\u00e9t\u00e9s <a href=\"https:\/\/commons.wikimedia.org\/wiki\/File:Cloud_types_fr.svg\" target=\"_blank\" rel=\"noopener\">(source)<\/a><\/p>\n<p><a href=\"https:\/\/scienceetonnante.com\/blog\/wp-content\/uploads\/2018\/01\/cloud_types_fr-svg.png\"><br \/>\n<img decoding=\"async\" class=\"aligncenter size-full wp-image-8384 lazyload\" data-src=\"https:\/\/scienceetonnante.com\/blog\/wp-content\/uploads\/2018\/01\/cloud_types_fr-svg.png\" alt=\"\" width=\"640\" height=\"394\" data-srcset=\"https:\/\/scienceetonnante.com\/blog\/wp-content\/uploads\/2018\/01\/cloud_types_fr-svg.png 640w, https:\/\/scienceetonnante.com\/blog\/wp-content\/uploads\/2018\/01\/cloud_types_fr-svg-300x185.png 300w\" data-sizes=\"(max-width: 640px) 100vw, 640px\" src=\"data:image\/svg+xml;base64,PHN2ZyB3aWR0aD0iMSIgaGVpZ2h0PSIxIiB4bWxucz0iaHR0cDovL3d3dy53My5vcmcvMjAwMC9zdmciPjwvc3ZnPg==\" style=\"--smush-placeholder-width: 640px; --smush-placeholder-aspect-ratio: 640\/394;\" \/><\/a><\/p>\n<p>Au-del\u00e0 des noms, ce qui est int\u00e9ressant c&rsquo;est notamment de relier leur forme \u00e0 leur mode de formation.<\/p>\n<p>Je l&rsquo;ai dit dans la vid\u00e9o, pour qu&rsquo;un nuage se forme, il faut le refroidissement d&rsquo;une masse d&rsquo;air humide. Ce refroidissement peut se produire par exemple simplement parce que l&rsquo;air chaud et humide s&rsquo;\u00e9l\u00e8ve, jusqu&rsquo;\u00e0 une altitude o\u00f9 il est suffisamment froid pour que la condensation ait lieu. Cela produit des nuages apparaissant \u00e0 une altitude bien donn\u00e9e. De plus, comme la condensation de la vapeur lib\u00e8re de la chaleur, l&rsquo;\u00e9l\u00e9vation du nuage se poursuit, provoquant l&rsquo;apparition d&rsquo;un joli panache. C&rsquo;est comme \u00e7a que se forment les cumulus ou les cumulonimbus.<\/p>\n<p>D&rsquo;une autre fa\u00e7on, il se peut qu&rsquo;une masse d&rsquo;air chaud et humide soit mise en d\u00e9placement relativement horizontal par les vents, et rencontre une masse d&rsquo;air froid, plus dense, au-dessus de laquelle elle doit passer. C&rsquo;est ainsi que se forment par exemple les stratus.<\/p>\n<p>Autre variante, si une masse d&rsquo;air chaud est contrainte de s&rsquo;\u00e9lever \u00e0 cause d&rsquo;un relief, cela peut donner lieu \u00e0 la formation de nuages \u00ab\u00a0accroch\u00e9s\u00a0\u00bb au relief, comme par exemple les spectaculaires nuages lenticulaires <a href=\"https:\/\/commons.wikimedia.org\/wiki\/File:Lenticular_cloud_over_Mount_Hood.jpg\" target=\"_blank\" rel=\"noopener\">(source)<\/a><\/p>\n<p><a href=\"https:\/\/scienceetonnante.com\/blog\/wp-content\/uploads\/2018\/01\/640px-lenticular_cloud_over_mount_hood.jpg\"><img decoding=\"async\" class=\"aligncenter size-full wp-image-8385 lazyload\" data-src=\"https:\/\/scienceetonnante.com\/blog\/wp-content\/uploads\/2018\/01\/640px-lenticular_cloud_over_mount_hood.jpg\" alt=\"\" width=\"640\" height=\"480\" data-srcset=\"https:\/\/scienceetonnante.com\/blog\/wp-content\/uploads\/2018\/01\/640px-lenticular_cloud_over_mount_hood.jpg 640w, https:\/\/scienceetonnante.com\/blog\/wp-content\/uploads\/2018\/01\/640px-lenticular_cloud_over_mount_hood-300x225.jpg 300w\" data-sizes=\"(max-width: 640px) 100vw, 640px\" src=\"data:image\/svg+xml;base64,PHN2ZyB3aWR0aD0iMSIgaGVpZ2h0PSIxIiB4bWxucz0iaHR0cDovL3d3dy53My5vcmcvMjAwMC9zdmciPjwvc3ZnPg==\" style=\"--smush-placeholder-width: 640px; --smush-placeholder-aspect-ratio: 640\/480;\" \/><\/a><\/p>\n<p>D&rsquo;ailleurs je n&rsquo;ai pas \u00e9voqu\u00e9 dans la vid\u00e9o la question de la chaleur d\u00e9gag\u00e9e par la condensation, mais celle-ci est vraiment importante. La condensation est une transition de phase dite du 1er ordre, c&rsquo;est-\u00e0-dire que par r\u00e9ciproque avec le fait que l&rsquo;\u00e9vaporation demande de l&rsquo;\u00e9nergie (et donc \u00ab\u00a0produit du froid\u00a0\u00bb), la transformation de la vapeur en eau liquide restitue cette chaleur.<\/p>\n<p>La chaleur latente de vaporisation de l&rsquo;eau est d&rsquo;environ 2 MJ\/kg. Un cumulus standard peut contenir quelques centaines de tonnes d&rsquo;eau, et on approche le million pour un gros cumulonimbus. Ca nous fait dans les 10^15 J, qui doit \u00eatre dans l&rsquo;ordre de grandeur de la production \u00e9lectrique en France sur une journ\u00e9e.<\/p>\n<p>Si on regarde la chaleur latente d&rsquo;une temp\u00eate tropicale, c&rsquo;est bien pire ! On estime que l&rsquo;\u00e9nergie produite sur une journ\u00e9e est de l&rsquo;ordre de 5.10^19 Joules (<a href=\"http:\/\/www.aoml.noaa.gov\/hrd\/tcfaq\/D7.html\" target=\"_blank\" rel=\"noopener\">source<\/a>), soit 50 fois la d\u00e9pense \u00e9nerg\u00e9tique mondiale sur cette m\u00eame journ\u00e9e !<\/p>\n<h3>De la chute des gouttes de pluie<\/h3>\n<p>Je l&rsquo;ai dit, les gouttelettes form\u00e9es par condensation dans les nuages ne se mettent pas toutes seules \u00e0 tomber vers le sol comme de la pluie. La raison en est une comp\u00e9tition entre la force de gravit\u00e9 (qui tend \u00e0 faire tomber les gouttes), et les courants ascendants qui tendent \u00e0 les maintenir.<\/p>\n<p>S&rsquo;il n&rsquo;existait aucun courant ascendant, la goutte tomberait avec une vitesse limite correspondant \u00e0 l&rsquo;\u00e9quilibre entre la force de gravit\u00e9, qui va d\u00e9pendre de sa masse donc son volume, et les frottements de l&rsquo;air, qui d\u00e9pendent de sa section, proportionnelle \u00e0 sa surface. Si on fait le bilan on trouve que la vitesse limite d&rsquo;une gouttelette est essentiellement proportionnelle \u00e0 son rayon (encore qu&rsquo;il faudrait raffiner car la nature des frottements change avec la taille). Valeur typique ? De l&rsquo;ordre d&rsquo;1 m\/s pour des gouttelettes de 200-300 microns.<\/p>\n<p>Sauf qu&rsquo;\u00e0 cela il faut ajouter la vitesse d&rsquo;ascension des nuages, sous l&rsquo;effet de la pouss\u00e9e d&rsquo;Archim\u00e8de, puisque le nuage est plus chaud que l&rsquo;air environnant. Pour des nuages typiques, on se balade entre 0,5 et 5 m\/s en vitesse d&rsquo;ascension.<\/p>\n<p>Ainsi, ce n&rsquo;est environ qu&rsquo;\u00e0 partir de 500 microns \u00e0 1 millim\u00e8tre qu&rsquo;une goutte finit par tomber vers le sol avec une vitesse significative: il pleut ! Mais de\u00e7\u00e0, les gouttes restent en suspension. D&rsquo;ailleurs il ne pleut jamais de minuscules gouttes !<\/p>\n<p>Sinon je le dis l\u00e0 parce qu&rsquo;il faut bien le souligner : il y a plein de trucs cools sur la formation des nuages de glace, qui jouent un r\u00f4le essentiel, mais j&rsquo;ai pr\u00e9f\u00e9r\u00e9 ne pas me disperser.\u00a0 Il y a notamment un effet supercool (c&rsquo;est le cas de le dire), <a href=\"https:\/\/fr.wikipedia.org\/wiki\/Effet_Bergeron\" target=\"_blank\" rel=\"noopener\">l&rsquo;effet Bergeron<\/a>.<\/p>\n<h3>L&rsquo;\u00e9quation de K\u00f6hler<\/h3>\n<p>Entrons un peu dans les d\u00e9tails de ce qui se cache derri\u00e8re les id\u00e9es de K\u00f6hler. Le premier point concerne donc l&rsquo;effet Kelvin. Pour l&rsquo;estimer, il faut regarder la balance \u00e9nerg\u00e9tique qui se produit lors du passage d&rsquo;une petite quantit\u00e9 de vapeur \u00e0 l&rsquo;\u00e9tat liquide. Et pour \u00e7a, on va faire de la thermodynamique.<\/p>\n<p>Puisqu&rsquo;on regarde un syst\u00e8me \u00e0 pression et temp\u00e9rature impos\u00e9e de l&rsquo;ext\u00e9rieur, la quantit\u00e9 thermodynamique pertinente est l&rsquo;\u00e9nergie de Gibbs. On cherche donc \u00e0 estimer la variation de cette \u00e9nergie lors d&rsquo;un hypoth\u00e9tique passage de n mol\u00e9cules d&rsquo;eau d&rsquo;une phase vapeur \u00e0 une phase liquide.<\/p>\n<p>La variation de potentiel chimique entre l&rsquo;\u00e9tat gazeux et l&rsquo;\u00e9tat liquide est donn\u00e9 par la relation<\/p>\n<p>\\(\\Delta\\mu = -kT\\log\\left(\\frac{P}{P_S}\\right)\\)<\/p>\n<p>o\u00f9 \\(P_S\\) est la pression de vapeur saturante, et \\(P\/P_S\\) est donc la saturation S.<\/p>\n<p>Mais l&rsquo;\u00e9nergie de Gibbs va varier aussi du fait de la cr\u00e9ation d&rsquo;une interface eau\/air, et il faut donc prendre en compte l&rsquo;\u00e9nergie de surface associ\u00e9e. Au total si les n mol\u00e9cules deviennent une goutte de rayon r, la variation d&rsquo;\u00e9nergie de Gibbs est<\/p>\n<p>\\(\\Delta G = -nkT\\log S + 4\\pi\\sigma r^2\\)<\/p>\n<p>A l&rsquo;\u00e9quilibre, la variation de l&rsquo;\u00e9nergie de Gibbs est nulle. On peut alors en d\u00e9duire la relation entre sursaturation et rayon de la goutte (en utilisant le volume molaire de l&rsquo;eau liquide pour faire le lien entre n et r), on obtient alors<\/p>\n<p style=\"text-align:center;\">\\(S = \\exp\\left(\\frac{2\\sigma}{\\rho R T r}\\right)\\)<\/p>\n<p>(R est la constante des gaz parfait, apparue par combinaison de k et du nombre d&rsquo;Avogadro).<\/p>\n<p>C&rsquo;est la formule de l&rsquo;effet Kelvin.<\/p>\n<p>Maintenant prenons en compte l&rsquo;effet Raoult. En premi\u00e8re approximation c&rsquo;est assez simple, puisqu&rsquo;il nous dit que pour un m\u00e9lange de n mol\u00e9cules d&rsquo;eau et q mol\u00e9cules de solut\u00e9, la pression de vapeur (par rapport au cas de l&rsquo;eau pure) se trouve r\u00e9duite d&rsquo;un facteur n\/(n+q). C&rsquo;est proportionnel \u00e0 la quantit\u00e9 d&rsquo;eau dans l&rsquo;ensemble. Pour des grandes quantit\u00e9s de solut\u00e9 (donc au tout d\u00e9but de la condensation), cela r\u00e9duit drastiquement la sursaturation n\u00e9cessaire. Et voici le genre de courbes qu&rsquo;on obtient (<a href=\"http:\/\/www.inscc.utah.edu\/~tgarrett\/5200\/Notes\/Kohler.pdf\" target=\"_blank\" rel=\"noopener\">source<\/a>)<\/p>\n<p><a href=\"https:\/\/scienceetonnante.com\/blog\/wp-content\/uploads\/2018\/01\/capture-d_ecc81cran-2018-01-05-acc80-10-22-59.png\"><img decoding=\"async\" class=\"aligncenter size-full wp-image-8389 lazyload\" data-src=\"https:\/\/scienceetonnante.com\/blog\/wp-content\/uploads\/2018\/01\/capture-d_ecc81cran-2018-01-05-acc80-10-22-59.png\" alt=\"\" width=\"508\" height=\"406\" data-srcset=\"https:\/\/scienceetonnante.com\/blog\/wp-content\/uploads\/2018\/01\/capture-d_ecc81cran-2018-01-05-acc80-10-22-59.png 508w, https:\/\/scienceetonnante.com\/blog\/wp-content\/uploads\/2018\/01\/capture-d_ecc81cran-2018-01-05-acc80-10-22-59-300x240.png 300w\" data-sizes=\"(max-width: 508px) 100vw, 508px\" src=\"data:image\/svg+xml;base64,PHN2ZyB3aWR0aD0iMSIgaGVpZ2h0PSIxIiB4bWxucz0iaHR0cDovL3d3dy53My5vcmcvMjAwMC9zdmciPjwvc3ZnPg==\" style=\"--smush-placeholder-width: 508px; --smush-placeholder-aspect-ratio: 508\/406;\" \/><\/a><\/p>\n<p>Ces courbes donnent la sursaturation critique en fonction de diff\u00e9rents diam\u00e8tres initiaux (\u00ab\u00a0secs\u00a0\u00bb) d&rsquo;a\u00e9rosols de sulfate d&rsquo;ammonium. On y lit plusieurs choses : l&rsquo;effet Raoult fait que m\u00eame pour des saturations inf\u00e9rieures \u00e0 1, de l&rsquo;eau va pouvoir condenser et faire croitre la particule qui atteindra l&rsquo;\u00e9quilibre. Mais ensuite il faudrait passer une saturation critique (le sommet de la courbe) pour entrer dans le r\u00e9gime de croissance instable.<\/p>\n<h3>Pr\u00e9dictions climatiques et rayons cosmiques<\/h3>\n<p>Dernier point concernant l&rsquo;impact d&rsquo;une meilleure compr\u00e9hension de la formation des nuages sur les mod\u00e8les climatiques. En r\u00e9sum\u00e9&#8230;c&rsquo;est dur ! La principale difficult\u00e9 est un probl\u00e8me d&rsquo;\u00e9chelle. Les mod\u00e8les de formation des nuages fonctionnent sur des \u00e9chelles d&rsquo;espace et de temps bien plus fines que les mod\u00e8les climatiques, qui ne peuvent pas se permettre de mod\u00e9liser les choses \u00e0 la minute et au m\u00e8tre pr\u00e8s. Et c&rsquo;est cette principale difficult\u00e9 qui rend compliqu\u00e9 l&rsquo;am\u00e9lioration des pr\u00e9dictions.<\/p>\n<p>Un petit mot tout de m\u00eame sur la question des rayons cosmiques. Il a \u00e9t\u00e9 envisag\u00e9 pendant un temps que les rayons cosmiques puissent avoir une influence assez d\u00e9terminante sur la formation des nuages (via l&rsquo;ionisation de particules de l&rsquo;atmosph\u00e8re), et donc sur les \u00e9quilibres climatiques. Cette hypoth\u00e8se aurait pu notamment conduire \u00e0 imaginer que les variations climatiques de long terme aient pu \u00eatre influenc\u00e9es par une activit\u00e9 solaire variable, et notamment le vent solaire qui module les flux de rayons cosmiques qui atteignent la Terre.<\/p>\n<p>Mais n&rsquo;en d\u00e9plaise aux climatosceptiques, cette hypoth\u00e8se a \u00e9t\u00e9 invalid\u00e9e par les r\u00e9centes exp\u00e9riences de la collaboration CLOUD au CERN, qui ont montr\u00e9 que l&rsquo;impact des rayons cosmique sur la production de nuage est n\u00e9gligeable par rapport aux autres ph\u00e9nom\u00e8nes.<\/p>\n<p><em>Dunne, E. M., Gordon, H., K\u00fcrten, A., Almeida, J., Duplissy, J., Williamson, C., &#8230; &amp; Barmet, P. (2016). Global atmospheric particle formation from CERN CLOUD measurements.\u00a0Science,\u00a0354(6316), 1119-1124.<\/em><\/p>\n<p>&nbsp;<\/p>\n<p>&nbsp;<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"<p>La vid\u00e9o du jour parle d&rsquo;un sujet en apparence banal : les nuages ! 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