Un nuage est fait d'eau,
alors pourquoi ne tombe-t-il pas ?
Un nuage est fait d'eau. Comment cette eau, plus lourde que l'air, peut-elle rester suspendue dans le ciel ? Et comment expliquer que cette eau, censée y rester pour toujours, se transforme un jour soudainement en pluie et tombe ? En réalité, elle ne « flotte » pas : elle tombe extrêmement lentement.
Par une journée ensoleillée, des nuages blancs flottent dans le ciel. Pendant des heures, ils gardent à peu près la même forme, suspendus là-haut.
Pourtant, ce nuage n'est pas de la vapeur d'eau. S'il est visible, c'est forcément que ce sont des gouttelettes d'eau liquide (ou des cristaux de glace). L'eau est près de mille fois plus lourde que l'air, et pourtant elle ne tombe pas.
Si l'on calcule la quantité d'eau contenue dans un gros cumulonimbus, on arrive à l'équivalent de plusieurs piscines. Autant d'eau flotte donc au-dessus de nos têtes.
Et quelques heures plus tard, cette eau tombe sous forme de pluie. Qu'est-ce qui a changé ?
Les gouttelettes qui forment un nuage mesurent environ un dixième de l'épaisseur d'un cheveu. La résistance de l'air est si forte que leur vitesse de chute n'est que d'environ 1 cm par seconde. Le moindre courant ascendant les repousse vers le haut.
L'eau d'une seule goutte de pluie équivaut à environ un million de gouttelettes de nuage. La pluie tombe quand ce travail de « réunir un million de gouttelettes en une seule » est achevé.
En somme, la pluie n'est pas de l'eau qui arrive nouvellement dans le ciel, mais des gouttelettes déjà présentes qui « grossissent ». Voyons cela étape par étape.
D'abord, pourquoi des gouttelettes se forment-elles dans le ciel ?
L'air contient de l'eau invisible (la vapeur d'eau). Mais la quantité qu'il peut contenir est limitée, et cette limite diminue quand la température baisse.
Quand l'air au sol se réchauffe et s'élève, la pression plus faible en altitude le fait se dilater. En se dilatant, il se refroidit (c'est l'inverse exact d'une pompe à vélo qui chauffe quand on appuie). L'air refroidi ne peut plus retenir toute la vapeur d'eau qu'il contenait, et l'excédent devient des gouttelettes liquides. C'est cela, un nuage.
Dans un air trop pur, la vapeur d'eau a du mal à devenir des gouttelettes. Il est étonnamment difficile pour les molécules d'eau de former seules les premières minuscules gouttes. En laboratoire, même en saturant l'air de vapeur bien au-delà de la limite, aucune gouttelette ne se forme parfois.
Dans le ciel réel flottent de la poussière, du sable, des cristaux de sel issus d'embruns marins séchés, du pollen, des particules de fumée. La vapeur d'eau utilise ces particules comme point d'ancrage pour devenir liquide. On appelle cela un noyau de condensation.
Autrement dit, chaque gouttelette de nuage contient généralement un « noyau » en son centre. Dans un monde où l'air serait parfaitement pur, la pluie serait bien plus difficile à former qu'aujourd'hui.
Pourquoi ne tombe-t-il pas ? ― Plus c'est petit, plus l'air colle
C'est ici que l'intuition trompe. Plus un objet est petit, plus la résistance de l'air agit.
Une boule de papier tombe vite, une feuille dépliée tombe lentement. À poids égal, la résistance est plus forte si la surface exposée à l'air est plus grande. Quand on réduit la taille d'une gouttelette, son poids diminue avec le cube du diamètre, alors que la surface qui freine ne diminue qu'avec le carré. Plus on réduit la taille, plus la surface exposée à l'air devient grande par rapport au poids.
Pour les gouttelettes de nuage (diamètre d'environ 0,02 mm), cet effet est extrême. Leur vitesse de chute n'est que d'environ 1 cm/s. En une heure, elles ne descendent que de 36 mètres. Or un nuage comporte presque toujours des courants ascendants de quelques dizaines de centimètres à quelques mètres par seconde. Elles sont facilement repoussées vers le haut.
Un nuage ne « flotte » donc pas : il tombe lentement tout en étant continuellement repoussé vers le haut à une vitesse comparable.
Il tombe trop lentement pour finir de tomber.
Pour devenir pluie ― réunir un million de gouttelettes en une seule
Une goutte de pluie (diamètre d'environ 2 mm) a un diamètre environ 100 fois plus grand qu'une gouttelette de nuage. Son volume est donc 100 × 100 × 100, soit environ un million de fois plus grand. Il faut donc que l'eau d'un million de gouttelettes de nuage se réunisse en une seule goutte.
Le simple ajout de vapeur d'eau qui se condense ne suffit pas, loin de là. Il existe principalement deux voies pour ce processus.
Le sommet des nuages est à moins de 0 °C. On y trouve un mélange de cristaux de glace et de gouttelettes d'eau non gelée. Seuls les cristaux de glace grossissent, aux dépens des gouttelettes d'eau environnantes. Une fois assez gros, la glace commence à tomber, fond en chemin, et devient de la pluie.
Une gouttelette un peu plus grosse tombe plus vite et rattrape et absorbe les petites gouttelettes situées en dessous. Plus elle grossit, plus elle va vite, et plus elle en absorbe. Elle grossit comme une boule de neige qui roule.
On considère que la pluie qui tombe sur les plaines du Japon, à l'exception des averses d'été, était en grande partie de la neige en altitude. Elle a simplement fondu avant d'atteindre le sol, mais à l'origine, c'était de la glace.
Les gouttes de pluie n'ont pas la forme d'une larme
Dans les illustrations, les gouttes de pluie sont dessinées en forme de larme, pointue vers le haut. Ce n'est pas la forme réelle.
Une petite goutte de pluie est presque parfaitement ronde, grâce à la tension superficielle. Quand elle grossit et que sa vitesse de chute augmente, la pression de l'air par en dessous aplatit et creuse sa base. Elle prend alors la forme d'un petit pain ou d'un pain à hamburger.
Si elle continue à grossir, le creux s'approfondit jusqu'à ressembler à un parachute, et elle se divise vers 5 mm de diamètre. C'est pourquoi il n'existe pas de gouttes de pluie extrêmement grosses : c'est la raison de cette limite supérieure.
Une observation à faire chez soi
- Versez un peu d'eau (juste assez pour mouiller le fond) dans une bouteille en plastique transparente et secouez
- Soufflez-y la fumée d'un bâtonnet d'encens pendant un court instant, puis refermez immédiatement le bouchon (cela joue le rôle de noyau de condensation)
- Pressez fort la bouteille à deux mains pour l'écraser, attendez quelques secondes, puis relâchez brusquement
- Au moment où vous relâchez, l'intérieur de la bouteille devient blanc et trouble. Pressez à nouveau, et la brume disparaît
En pressant, l'air intérieur se comprime et se réchauffe ; en relâchant, il se dilate et se refroidit. Au moment où il refroidit, il ne peut plus retenir toute sa vapeur d'eau, qui forme de petites gouttelettes en s'ancrant sur les particules de fumée ― c'est exactement le même mécanisme que celui du nuage dans le ciel. Sans fumée, la brume a du mal à se former, ce qui permet de vérifier en même temps le rôle du noyau de condensation.
En résumé
Un nuage ne tombe pas parce que l'eau serait légère. C'est parce que les gouttelettes sont trop petites pour vaincre la résistance de l'air. Et la pluie tombe non pas parce que de l'eau nouvelle arrive dans le ciel, mais parce que les gouttelettes déjà présentes se sont réunies jusqu'à atteindre la taille d'un million d'entre elles.
Quand vous regardez le ciel, plusieurs piscines d'eau
y tombent en continu, à 1 cm par seconde.
Le même mécanisme qui forme les nuages ― « l'air se refroidit et la vapeur d'eau devient gouttelettes » ― explique aussi pourquoi notre respiration devient visible en hiver. On en parle en détail dans cet article.
Quand les gouttelettes de nuage s'accumulent en épaisseur, un nuage vu d'en dessous n'apparaît plus blanc mais noir. La raison est expliquée dans Pourquoi les nuages annonciateurs de pluie paraissent-ils noirs ?.
Et une fois réunies, à quelle vitesse les gouttes de pluie arrivent-elles au sol ? La réponse est dans « Les gouttes de pluie tombent de 1000 mètres : pourquoi ça ne fait pas mal ? ».
Pour aller plus loin ― vocabulaire, formules et lien avec les manuels scolairesDu niveau collège aux questions encore en recherche, chaque niveau est indiqué
- CollègeNiveau du programme de sciences au collège
- LycéeNiveau des bases de physique et de sciences de la Terre au lycée
- Lycée+Niveau physique/sciences de la Terre avancées, ou contenu complémentaire des manuels
- UniversitéContenu non enseigné au lycée : matière spécialisée universitaire (physique des nuages, météorologie)
- RechercheSujet qui n'est même pas enseigné à l'université comme « établi » : question encore à l'étude par les chercheurs
CollègeVocabulaire : les mots des nuages et de la pluie
- Humidité spécifique à saturation : la quantité maximale de vapeur d'eau que peut contenir l'air à une température donnée. Elle diminue quand la température baisse.
- Point de rosée : la température à laquelle la vapeur d'eau commence à devenir liquide quand on refroidit l'air.
- Noyau de condensation : fine particule en suspension dans l'air servant de point d'ancrage à la vapeur d'eau pour devenir liquide. Poussière, sel marin, pollen, etc.
- Gouttelette de nuage : gouttelette d'eau ou de glace formant un nuage. Diamètre d'environ 0,01 à 0,05 mm.
- Goutte de pluie : diamètre d'environ 0,5 à 5 mm. En dessous, on parle de bruine.
- Vitesse limite : vitesse atteinte quand la résistance de l'air et le poids s'équilibrent, au-delà de laquelle un objet qui tombe ne peut plus accélérer.
CollègeLycéePourquoi l'air se refroidit-il en montant ?
Quand l'air monte, la pression environnante diminue et il se dilate. En se dilatant, l'air effectue un travail en repoussant ce qui l'entoure. Cette énergie dépensée fait baisser sa température, même sans échange de chaleur avec l'extérieur. On appelle cela une détente adiabatique.
À titre indicatif, dans l'air sec avant formation du nuage, la température baisse d'environ 1 °C tous les 100 m d'altitude. Une fois le nuage formé, la vapeur d'eau libère de la chaleur en devenant liquide (chaleur de condensation), ce qui ralentit cette baisse.
LycéeVérifions par le calcul : combien de gouttelettes de nuage pour une goutte de pluie ?
Il y a des jours où il y a des nuages mais pas de pluie. Les gouttelettes de nuage et les gouttes de pluie sont-elles si différentes ? On peut le vérifier avec la simple formule du volume apprise au collège.
V = (4 ÷ 3) × π × r³
| V Volume de la sphère | unité : mm³, etc. |
| r Rayon | unité : mm |
| π Pi | environ 3,14 |
Ce qu'il faut remarquer, c'est r³. Le volume augmente avec le cube du rayon. Un rayon doublé donne un volume multiplié par 8 ; multiplié par 10, le volume est multiplié par 1000. La différence réelle est bien plus grande que la différence visuelle.
Pour comparer deux sphères, la partie (4 ÷ 3) × π est commune aux deux, donc il suffit d'élever le rapport des rayons au cube.
| Diamètre d'une gouttelette de nuage | env. 0,02 mm |
| Diamètre d'une goutte de pluie | env. 2 mm |
| Rapport des diamètres | 2 ÷ 0,02 = 100 fois |
| Le volume, c'est le cube de ce rapport | 100 × 100 × 100 = 1 000 000 |
| Réponse | 1 goutte de pluie = env. 1 million de gouttelettes de nuage |
Il faut réunir un million de gouttelettes de nuage pour obtenir une seule goutte de pluie. La différence de taille n'est que d'un facteur 100, mais le nombre nécessaire explose. Cette seule ligne explique pourquoi un nuage ne donne pas immédiatement de la pluie.
Il existe une autre condition : vaincre le courant ascendant. Si la vitesse de chute est inférieure à celle du courant ascendant, la gouttelette ne peut pas tomber.
| Courant ascendant dans le nuage | supposé à env. 1 m/s |
| Vitesse de chute d'une gouttelette de nuage | env. 0,01 m/s (1 cm/s) |
| Écart manquant | 1 ÷ 0,01 = 100 fois trop lent |
| Vitesse de chute d'une goutte de pluie | env. 6 m/s |
| Marge de victoire | 6 ÷ 1 = 6 fois plus rapide |
Comme sa vitesse de chute n'est que le centième de ce qu'il faudrait, une gouttelette de nuage reste en pratique toujours en suspension. C'est pourquoi les nuages peuvent rester dans le ciel. Un nuage ne « flotte » pas : il « tombe trop lentement, et se fait repousser par le courant ascendant ».
Et ce n'est qu'en grossissant jusqu'à l'équivalent d'un million de gouttelettes qu'elle atteint 6 m/s, de quoi vaincre le courant ascendant et atteindre le sol. Il pleut quand ces deux conditions sont réunies.
| Gouttelette de nuage (diam. 0,02 mm) | env. 1 cm/s |
| Bruine (diam. 0,2 mm) | env. 0,7 m/s |
| Goutte de pluie (diam. 2 mm) | env. 6 m/s |
| Grosse goutte de pluie (diam. 5 mm) | env. 9 m/s (au-delà, elle se divise) |
En regardant bien ce tableau, le diamètre est multiplié par 100, mais la vitesse ne l'est que par 600, alors que le volume l'est par un million. La vitesse de chute n'augmente pas aussi simplement que le volume.
Lycée+Pour une très petite gouttelette, la résistance de l'air est proportionnelle à la vitesse (F ∝ v). Dans ce régime, la vitesse de chute est proportionnelle au carré du rayon : si le rayon est divisé par 10, la vitesse est divisée par 100. Quand la gouttelette grossit, la résistance se rapproche du carré de la vitesse (F ∝ v²), et la vitesse de chute devient à peu près proportionnelle à la racine carrée du rayon. La loi change en cours de route, donc on ne peut pas tout écrire avec une seule formule simple.
UniversitéComment la glace « vole » l'eau pour grossir
Le texte principal dit que « seuls les cristaux de glace grossissent, aux dépens des gouttelettes d'eau environnantes ». C'est ce qu'on appelle le processus de Wegener-Bergeron-Findeisen (processus de la glace), fondamental en physique des nuages.
La clé est le fait que, à une même température, la pression de vapeur saturante est plus basse à la surface de la glace qu'à la surface de l'eau. Par exemple vers −12 °C, cet écart atteint environ 10 %. L'air est alors « sursaturé » en vapeur du point de vue de la glace, mais « sous-saturé » du point de vue de la gouttelette d'eau.
Résultat : la vapeur continue de s'évaporer des gouttelettes d'eau et de se condenser sur la glace. La glace grossit sans cesse tandis que les gouttelettes disparaissent. Ce mécanisme ne fonctionne que parce qu'il existe, dans le nuage, une grande quantité d'eau non gelée bien qu'à moins de 0 °C (eau en surfusion).
Ensuite, les cristaux de glace grossis peuvent s'agglomérer en flocons de neige, capturer des gouttelettes en surfusion en tombant (givrage), et grossir jusqu'à devenir grésil ou grêle. S'ils traversent en tombant une couche plus chaude que 0 °C, ils fondent et deviennent de la pluie.
RechercheDes questions encore sans réponse
- La pluie commence à tomber plus vite que la théorie ne le prédit. C'est une énigme connue de longue date en physique des nuages. La croissance par condensation de vapeur reste efficace jusqu'à environ 0,03 mm de diamètre, puis son efficacité chute brutalement. La collision-coalescence, elle, ne devient efficace qu'à partir d'environ 0,08 mm. Il existe donc un « vide », une zone sans mécanisme de croissance efficace. Pourtant, les cumulus réels commencent à produire de la pluie en environ 20 minutes ― bien plus vite que ce que prévoit la théorie.
- L'explication la plus probable est la turbulence, mais rien n'est tranché. L'idée est que les turbulences dans le nuage concentrent localement les gouttelettes et augmentent les collisions ; des simulations numériques et des expériences en laboratoire avancent sur ce point. Mais on ne sait pas encore exactement à quel point cela compte, ni comment cela se combine avec d'autres facteurs (comme l'hypothèse de grosses particules de sel marin servant de déclencheur).
- La relation entre nuages et pollution atmosphérique est la part la plus incertaine des prévisions climatiques. Plus il y a de noyaux de condensation, plus la même quantité d'eau se répartit en gouttelettes petites et nombreuses. Le nuage devient alors plus blanc et réfléchit davantage la lumière solaire, tandis que la pluie risque de tomber moins facilement. L'ampleur de cet effet reste l'un des plus grands facteurs d'incertitude des modèles climatiques.
- L'efficacité de l'ensemencement artificiel des nuages reste difficile à prouver. Épandre des noyaux dans les nuages se pratique dans plusieurs pays, mais il est en principe difficile d'exclure l'hypothèse qu'« il aurait peut-être plu même sans intervention ». L'évaluation quantitative de son efficacité fait encore débat aujourd'hui.
Même la pluie que l'on voit tous les jours n'est pas entièrement expliquée dans son mécanisme de formation. Les phénomènes les plus familiers sont parfois les moins bien compris.
Lien avec les manuels scolaires (par niveau)
| Niveau | Matière / chapitre | Partie de l'article concernée |
|---|---|---|
| Collège | Sciences・changements d'état / humidité à saturation et point de rosée / observation météo | Formation des nuages, noyau de condensation, expérience de la bouteille |
| Lycée | Sciences de la Terre・structure de l'atmosphère / transformation adiabatique | Pourquoi l'air se refroidit en montant, env. 1 °C par 100 m |
| Lycée | Physique・équilibre des forces / résistance de l'air | Vitesse limite, pourquoi les petites gouttelettes ne tombent pas |
| Lycée+ | Physique・force de résistance et mouvement / tension superficielle | Régimes en v et en v² pour la résistance, forme et division des gouttes de pluie |
| Université | Physique des nuages・météorologie | Processus de Wegener-Bergeron-Findeisen, eau en surfusion, givrage |
| Recherche | Physique des nuages・sciences du climat (non résolu) | Le « vide » de croissance, rôle de la turbulence, aérosols et nuages, ensemencement artificiel |
- Explications de l'Agence météorologique japonaise (気象庁) sur les nuages et les précipitations, et son guide d'observation météorologique.
- Pruppacher, H. R. & Klett, J. D., Microphysics of Clouds and Precipitation (manuel de référence en physique des nuages ; taille des gouttelettes et des gouttes de pluie, vitesse limite, processus de Bergeron).
- Grabowski, W. W. & Wang, L.-P., Growth of cloud droplets in a turbulent environment, Annual Review of Fluid Mechanics 45, 293–324, 2013 (revue sur la turbulence et la croissance par collision).
- Rapport du 6e rapport d'évaluation du GIEC, groupe de travail I (évaluation selon laquelle l'interaction aérosols-nuages est l'un des grands facteurs d'incertitude des prévisions climatiques).
- Beard, K. V. & Chuang, C., A new model for the equilibrium shape of raindrops, Journal of the Atmospheric Sciences 44, 1509–1524, 1987 (forme d'équilibre des gouttes de pluie).
※ La taille des gouttelettes et leur vitesse de chute varient selon les conditions. Cet article présente des valeurs indicatives généralement citées.
※Cet article est une explication scientifique destinée au grand public. Les valeurs indiquées sont des ordres de grandeur destinés à faciliter la compréhension du mécanisme, et peuvent varier selon les conditions. Pour les prévisions météorologiques, veuillez consulter les annonces de l'Agence météorologique japonaise et des services météo spécialisés.