Sujet 4 - Formation des nuages et des précipitations 1 - Généralités Les processus impliqués dans la formation et l organisation des nuages et de la précipitation varient des processus dynamiques associés aux systemes de nuages des centaines de kilomètres, jusqu'aux des processus physiques et chimiques à une échelle très petite, de l ordre d un micromètre dans le cas de la nucléation et de la croissance des particules de nuages. Cette partie du cours, a pour objet de décrire des processus microscopiques au cours desquels les particules de nuages se forment, grandissent, et éventuellement donnent naissance aux précipitations. Le schéma sur Fig. 4-1 présente ces processus. Les nuages sont formés d un amas visible de fines gouttelettes ou de cristaux de glace, ou des deux à la fois. Ces particules sont en suspension dans l atmosphère. Toutes les particules d eau liquide ou solide qui forment le nuage, ainsi que les particules en chute, donc précipitantes, sont appelées hydrométéores. Initialement, on reconnaissait l importance de processus microscopiques décrivant l évolution des hydrométéores, principalement, en tant que mécanismes responsables de la formation des précipitations. Ensuite, vers les années 1970, le rôle de ces processus dans le domaine de la chimie atmosphérique a été mis en évidence. Actuellement, le regain d intérêt pour les hydrométéores est surtout attribuable au fait que la microstructure des nuages contrôle ses propriétés radiatives, d ou son impact important sur le climat. Examinons d abord un nuage entièrement composé des gouttelettes d eau telles que présentées schématiquement sur la Fig. 4-2. Le rayon des gouttelettes de nuage est compris entre 0,002 et 0,1 millimètre mais oscille le plus souvent autour de 0,01 millimètre (10 µm). Le nuage formé de telles gouttelettes est une structure stable, qui puisse demeurer tel quel assez longtemps (plusieurs heures) sans modifications notables. Ses gouttelettes minuscules tombent en air calme avec une vitesse de l ordre de quelques centimètres par seconde. Un courant ascendant très faible est alors suffisant pour leur permettre de se maintenir dans l air ou même de s élever. On a choisit le rayon de 0,1 mm comme la limite supérieure pour définir une gouttelette de nuage.: - Les gouttelettes de nuage dès qu elles rencontrent des régions où l humidité relative est inférieure à 100 % (limite du nuage), s évaporent rapidement. Seules les grosses gouttes, de rayon supérieur à environ 0,1 mm, peuvent espérer atteindre le sol avant l'évaporation complète. - Les gouttes de rayon supérieur de 0,1 mm ont des vitesses de chute de l ordre du mètre par seconde. Des courants ascendants dans la nature sont normalement plus faible que cela, et alors, les gouttes tombent sous forme de bruine (si leur rayon est inférieur à 0,25 mm) ou de pluie. Les gouttes de pluie de rayon de 2,5 mm, limite au-delà de laquelle les gouttes deviennent instables et se brisent spontanément, atteignent les vitesses de chute de 9 m/s. (Flocons de neige ou cristaux de glace ont, à poids égal, une vitesse de chute plus faible, 1
autour de 1 m/s pour les flocons, car, à cause de leur forme et densité plus faible, la résistance de l air est considérable.) Figure 4-1 : Formation des nuages et des précipitations. 2
Figure 4-2 : Comparaison des tailles, concentrations et vitesses de chute de quelques particules impliquées dans la composition des nuages et des précipitations. Le rayon moyen d une gouttelette nuageuse est de 10 µm, tandis que celui d une goutte de pluie moyenne est de 1mm=1000 µm. Donc, environ un million de ces gouttelettes de nuage doivent s agglomérer pour former une goutte de pluie. De l autre côté, chaque centimètre cube d air nuageux contient 10 à 1000 gouttelettes. Dans une précipitation, pour des rayons de l ordre de 0,25 mm, on trouve rarement plus de quelques gouttes par litre, tandis que la concentration des particules précipitantes de plusieurs millimètres peut descendre jusqu à une particule par un mètre cube.. Le nombre de gouttelettes en fonction de leur taille (spectre de taille, distribution dimensionnelle de gouttelettes) dépend du processus de formation du nuage, de l humidité disponible, de l altitude au-dessus de la base du nuage, de son stade de développement et du nombre et de la taille des aérosols (voir plus bas) que les masses d air contiennent. En général, les nuages formés dans les masses d air continental sont constitués d un grand nombre de petites gouttelettes alors que les nuages des masses d air maritime ont des concentration des gouttelettes plus faibles mais de taille plus grande (voir Fig. 4-3). La concentration en gouttelettes est en moyenne 5 à 10 fois plus forte dans les nuages d origine continentale que dans ceux d origine océanique. Dans les nuages d origine océanique, les gouttelettes sont moins nombreuses et chacune peut donc disposer d une plus grande part de l eau disponible pour grossir. On observe dans ces nuages des spectres qui sont souvent plus larges que ceux observés dans les masses d air d origine continentale. Plus un nuage est développé, plus le spectre de taille des gouttes tend à s élargir vers les forts diamètres et plus la probabilité d obtenir des précipitations est grande. Un nuage d origine continentale, a besoin, en général, de se développer beaucoup plus qu un nuage de type océanique pour donner naissance à des précipitations. Pour expliquer le dernier phénomène, il faut savoir que, pour former les gouttelettes ou les cristaux de nuage, la condensation de la vapeur d eau atmosphérique exige à la fois la 3
saturation et la présence des aérosols constituant un substrat sur lequel les molécules d eau peuvent se coller, se lier ensemble et former une gouttelette ou un cristal. Nous savons déjà comment la saturation peut se trouver réalisée dans l atmosphère. L étude des aérosols atmosphériques est alors nécessaire pour la compréhension des phénomènes de condensation dans l atmosphère. Après une brève description des aérosols atmosphériques, la naissance des gouttelettes nuageuses sera abordée. Ensuite, notre intérêt sera dirige vers les nuages à températures négatives, appelés froids. La formation des précipitations dans le nuage constitue une étape ultérieure de son développement, et elle fait appel à des interactions complexes entre les gouttes et éventuellement les cristaux de glace. Fig. 4-3 4
2 - Particules d aérosol atmosphérique Une particules d aérosol atmosphérique est une particule solide ou liquide en suspension dans l atmosphère constituée essentiellement de substance(s) autre que l eau. Ce sont de très fines particules, dont la plupart sont trop petites pour être visibles à l œil nu. Certains de ces aérosols jouent le rôle de noyau de condensation nuageuse ou de noyau glaçogène. D où le contenu en aérosols et leur composition conditionnent le nombre et la grosseur des gouttelettes et des particules de glace dans le nuage, et donc, aussi son aptitude à former des précipitations. Sans les aérosols, la vapeur resterait en sursaturation et ne pourrait pas se liquéfier ou recristalliser qu à des sursaturation très élevées ou à des températures beaucoup plus basses. Mais aussi, ces particules ont une influence sur le bilan radiatif de l atmosphère, elles interviennent dans les échanges océan-atmosphère et dans la radioactivité atmosphérique. Elles constituent l indice principal de la pollution atmosphérique. Fig. 4-4 Approximate size ranges of aerosol of importance in various atmospheric phenomena. Le nombre et la composition des aérosols varient fortement dans l espace et dans le temps. Ils sont généralement beaucoup plus nombreux au-dessus des terres qu au-dessus des mers et au-dessus des villes qu au-dessus des campagnes. Leur nombre varie aussi avec la force du vent, la stabilité de la masse d air et l occurrence de précipitations qui lavent l atmosphère. Cependant, seuls les aérosols qui demeurent en suspension pendant au moins une heure semblent avoir un impact sur les processus atmosphériques. La limite de leur grosseur est d environ 50 µm. La taille des particules qui prennent part aux processus atmosphériques dépasse le plus souvent 0,1 µm et leur concentration est de l ordre de 50 à 1 000 par centimètre cube, ou plus. 5
Les aérosols se forment à partir de deux mécanismes distincts : i) Les plus grosses particules sont produites essentiellement par des moyens mécaniques comme les vents de sable, etc.. La taille de ces particules est de l ordre de 1 µm, mais elles peuvent atteindre la taille de 10 µm ou plus (jusqu a 50 µm). Les océans sont la source principale des gros cristaux de sel marin, issus de l évaporation d embruns ou de l éclatement de bulle d air emprisonné. Certaines de ces particules plus imposantes sont d origine humaine, résultant de procèdes comme l exploitation de carrières et de mines à ciel ouvert. Ces grosses particules jouent le rôle des noyaux de condensation nuageuse, cependant, dû à leur concentration relativement faible, leur contribution est limitée. ii) La genèse des aérosols plus fins commence par la phase gazeuse. Différents processus de condensation (transformations gaz-particule) génèrent principalement ces aérosols de grosseur qui se situe entre les amas moléculaires (0,001 à 0,003 µm) et environ 1 µm. Parmi les principaux impuretés gazeuses étant à l origine de cet aérosol est le dioxyde de soufre, SO 2. Il est le plus actif donnant naissance à des gouttelettes d acide sulfurique, H 2 SO 4, et à des particules des sulfates. Ces derniers sont les constituants principaux des particules fines dans la plupart du Globe. Les industries sont les importantes sources de SO 2. Le phytoplancton marin libère également des composés soufrés qui réagissent avec des composés chimiques présents dans l air pour former SO 2. Les aérosols les plus fins ont une concentration la plus élevée; ils s agglutinent et forment les particules plus grandes qui deviennent les noyaux de condensation de nuage. Les aérosols qui provoquent la nucléation de la glace sont appelés noyaux glaçogènes. Ces particules sont actives à des températures variables; le seuil d activation de la plupart des substances naturelles est autour de -10 à -12 C. Ces particules sont en fait beaucoup plus rares que les noyaux de condensation de nuage. 6
Fig. 4-5 Tableau 4-1 : Temps que mettent les particules pour chuter de 1 km dans l atmosphère par sédimentation. Diamètre de la particule (mm) Temps pour chuter de 1 km 0,02 228 ans 0,1 36 ans 0,5 3,2 ans 1,0 328 jours 5,0 14,5 jours 10,0 3,6 jours 20,0 23 heures 100,0 1,1 heure 1000,0 4 minutes 5000,0 1,8 minutes 7