Remarque préliminaire :
Les nuages sont l'expression la plus importante des phénomènes qui se produisent dans la troposphère.
Puisqu'ils sont visibles, les nuages nous donnent rapidement une bonne idée du temps qu'il fait : nuage d'orage ou inoffensif cumulus !

Étapes de la formation d'un nuage.
L'air clair (absence de nuages) contient toujours des particules microscopiques invisibles à l'oeil nu. On les appelle "noyaux de condensation ou de congélation", constitués de particules provenant des éruptions volcaniques, de poussières arrachées au sol, de poussières de combustion, de pollens, ect. Et peut être d'une action des rayons cosmiques (Sciences et Avenir, N° Hors-Serie, octobre/novembre 2012, pages 37/38).

Par ailleurs, l'air peut contenir un maximum de vapeur d'eau, maximum qui dépend en fait de sa température; lorsque ce maximum est dépassé, on dit que l'air est sursaturé.
Les molécules de vapeur d'eau contenues dans l'air vont donc se condenser en eau liquide au contact des noyaux de condensation ou encore se solidifier au contact des noyaux de congélation si la température est inférieure à 0 °C. L'eau liquide condensée sur les particules microscopiques va par la suite s'évaporer et retourner dans l'air sous forme de vapeur d'eau.Tant que le nombre de molécules de vapeur d'eau qui se condensent est égale au nombre de molécules qui s'évaporent d'une particule, il ne peut y avoir formation de gouttelette d'eau. Cependant, lorsque la température de l'air est suffisament basse, le nombre de molécules qui se condensent devient plus grand que le nombre de molécules qui s'évaporent.
À partir de ce moment, on dit que l'air est sursaturé de vapeur d'eau et il y a formation d'une gouttelette d'eau : les nuages sont formés de plusieurs millions de ces gouttelettes. En réalité, les nuages se forment lorsque de l'air qui contient de la vapeur d'eau est soulevé en altitude. La parcelle d'air qui part du sol contient une certaine quantité de vapeur d'eau qui ne change pas durant son ascension.
Puis, en se soulevant, l'air prend de l'expansion (car la pression atmosphérique diminue en altitude), sa température diminue et son humidité relative augmente.
Nota : l'air peut être soulevé de différentes façons :

• Par convection (air chaud qui monte),
• Par soulèvement orographique (rencontre d'un obstacle et franchissement),
• Par convergence des vents (dans une dépression : les vents convergent vers le centre et sont forcés de monter).

À une certaine altitude, l'humidité relative est suffisamment élevée pour que la parcelle d'air devienne sursaturée et une partie de la vapeur d'eau se condense sur les noyaux de condensation (ou congélation). À partir de ce moment, des gouttelettes ou des cristaux commencent à se former :

(l'eau sous forme de vapeur dans l'air est invisible, mais elle peut devenir visible lorsqu'elle retourne à l'état liquide [eau] ou solide [glace]).

Nota : la dissipation des nuages à l'inverse de leur formation, se produit lorsque l'air en altitude subit un réchauffement et donc un assèchement relatif de son contenu en vapeur d'eau, puisqu'un air chaud peut contenir plus de vapeur d'eau qu'un air froid. Ce processus est favorable à l'évaporation, ce qui dissipe les nuages.
Le réchauffement de l'air en altitude est souvent causé par une subsidence de l'air (déplacement d'air vers le sol dans l'atmosphère) qui entraîne une compression adiabatique de celui-ci.

Description des types de nuages.
Toutes les classifications sont inspirées de celle de Howard (chimiste anglais,1803).
La classification la plus récente est celle de l'Organisation météorologique mondiale publiée en 1956 dans l'Atlas international des nuages.
Le tableau ci-dessous présente les quatre principales familles de nuages de ce système (Ahrens, 1994).

Famille	Racine latine	Altitude moyenne de la base (m)	Exemple	Traduction du mot latin
Étage supérieur	CIRRUS	6 000 - 13 000	cirrus	filament
Étage moyen	ALTO	2 000 - 6 000	altostratus	moyen
Étage inférieur	STRATUS	sol - 2 000	stratocumulus	strate
Extension verticale	CUMULUS	500 - 6 000	cumulonimbus	amas (tas)

On ajoute la racine latine nimbus qui signifie "pluie" (on retrouve cette racine dans les mots cumulonimbus et nimbostratus qui désignent des nuages de pluie).
Cette classification ne tient pas compte de la hauteur du sommet du nuage. Un nuage dont la base est à 1500 mètres et le sommet à 2500 mètres, et qui n'appartient pas à la famille des nuages à extension verticale, doit être classé parmi les nuages de l'étage inférieur.
Soulignons que tous les nuages sont situés dans la troposphère, c'est-à-dire entre 0 et 13 km d'altitude.
(à noter que la stratosphère est la seconde couche de l'atmosphère terrestre, se situant au-dessus de la troposphère, et sous la mésosphère, soit entre 12 et 50 km d'altitude en moyenne).
Classification troposphérique :

(Classification des nuages par altitude d'occurrence)

Nota :
- des nuages proches du sol (arcus) en forme de rouleau horizontal, dense (souvent accompagné de pluies et de rafales de vent grêle, signe précurseur d'orage) :

- des nuages (nuages nacrés) se trouvent à 15-25 kilomètres d'altitude, au dessus donc de la troposphère (jusqu' à 8 à 15 kilomètres de hauteur),
- des nuages (nuages noctulescents) se trouvent à 80-85 kilomètres d'altitude dans la mésosphère, partie atmosphérique comprise entre 50 km et 80 km d'altitude, au-dessus de la stratosphère, et proche de l'espace :

Chaque famille est subdivisée selon l'aspect. Un nuage qui présente une base uniforme sans détails repérables, par exemple, est appelé « stratus » alors qu'un nuage dont la base a une configuration ou une structure bien définie est appelé « cumulus » ou nuage de « type cumulo » . Certains nuages sont surtout des nuages à précipitations et sont alors appelés « nimbus ».
Même si les nuages sont en constante évolution, on a pu définir un nombre limité de formes caractéristiques permettant de les classer en différents groupes. La classification des nuages de l'Atlas international des nuages compte dix groupes principaux, appelés "genres" :

ÉTAGE SUPÉRIEUR	ÉTAGE MOYEN	ÉTAGE INFÉRIEUR	EXTENSION VERTICALE
Cirrus (Ci)		Stratus (St)
Cirrostratus(Cs)	Altostratus (As)	Nimbostratus(Ns)	Cumulus (Cu)
Cirrocumulus (Cc)	Altocumulus (Ac)	Stratocumulus (St)	Cumulonimbus (Cb)

Nota : cliquer sur les liens des étages pour avoir plus de précision.

Chacun des divers processus de formation des nuages imprime ses formes propres, y compris l'altitude.

Notes :
À l'intérieur des nuages, les molécules d'eau contenues dans la vapeur se condensent, s'attirent et font naître entre elles une force de cohésion qui leur permet de former des gouttelettes. Celles-ci se percutent et s'agglomèrent ensuite sous l'effet d'un phénomène physique désigné sous le terme de coalescence pour devenir des gouttes d'eau de pluie.
Lorsque les nuages se situent à une altitude inférieure à 2.000 mètres, les turbulences atmosphériques sont faibles et limitent le phénomène de coalescence. La taille des gouttes reste elle aussi limitée. Leur diamètre ne dépasse pas 1 millimètre. On parle plutôt de bruine.
Dans les nuages plus élevés, entre 2.000 et 5.000 mètres, les turbulences sont plus importantes et le diamètre des gouttes peut atteindre 6 millimètres.
C'est d'ailleurs la taille maximale que l'on puisse observer pour une goutte de pluie qui tombe. Car, au cours de sa chute, la goutte est soumise, en plus de la force de tension superficielle qui fait sa cohésion, à une force de friction due aux frottements avec l'air. Lorsque les gouttes sont trop volumineuses et atteignent ces fameux 6 millimètres de diamètre, cette force de friction entraîne l'explosion de la goutte en fragments de tailles inférieures.

La quantité d'eau que contient un nuage est très importante (mais variables selon le type de nuage et sa dimension). Les nuages qui ont une très faible densité, comme les cirrus, contiennent très peu d'eau liquide puisque ce sont des nuages de glace situés à haute altitude.
Contrairement aux cumulonimbus qui sont des nuages à contenus en eau liquide très élevés.
On aura, M_c = le contenu en eau liquide, en g / m3 (exemples, Thompson, 2007 ) :

La concentration en gouttes d'eau d'un nuage est le nombre de gouttes d'eau par volume n, généralement exprimé en centimètre cube (Wallace, 2006).
La formule est la suivante : n = N/V , avec N = nombre total de gouttes d'eau et V volume du nuage.
et, M_c = (m_Ln) / N, avec m_L = la masse d'eau contenu dans une parcelle d'air.
Ainsi donc par exemple, un cumulonimbus de 4,5 km3 (soit 4,5.10⁹ m3) doit contenir entre 4,5.10⁹ g et 13,5.10⁹ g environ, soit entre 4 500 et 13 500 tonnes d'eau !
Qui serait donc capable en théorie de déverser au total (événement très violent avec un volume de précipitation de 100 mm) cette quantité d'eau sur 45 000 km² (4,5 millions d'hectares), soit le 1/12 de la superficie de la France métropolitaine ou la superficie de la région Midi-Pyrénées.
(rappel : 1 km3 = 10⁹ m3 = 1 000 000 000 m3).

NB :
Le cumulonimbus est le nuage avec le plus d'extension verticale et l'énergie qu'il renferme peut être impressionnante : les plus gros pouvant rivaliser avec l'énergie, en "équivalent TNT", de la bombe atomique de Nagasaki (21 000 à 23 000 tonnes de TNT).

La quantité d'eau d'un nuage (gouttelettes d'eau liquide + cristeaux de glace), donc hors vapeur d'eau et poussières, ne représenterait qu'un millionième de son poids total !
(JP. Chalon, EDP Sciences, 2004).
(et lien > https://actu.lachainemeteo.com/actualite-meteo/2014-01-17-11h15/combien-pese-un-nuage-23880

Effet d'un temps nuageux.
Le jour :
Durant le jour, la surface de la Terre est réchauffée par le Soleil. Si le ciel est clair, presque tous les rayons du Soleil atteignent le sol. Le sol se réchauffe et réchauffe à son tour l'air qui est au-dessus.
Par contre, si le ciel est nuageux, une partie des rayons du Soleil est réfléchie par les nuages (par les gouttelettes d'eau et cristaux de glace) vers l'espace. Il y aura donc moins de rayons solaires qui se rendront au sol pour le réchauffer. En d'autres mots, le sol va moins se réchauffer s'il y a des nuages que s'il n'y en a pas. La température de l'air environnant sera plus faible : il fera moins chaud.

La nuit :
Durant la nuit, un ciel nuageux provoque l'effet inverse sur la température de l'air. Si le ciel est clair, les rayons émis par la surface de la Terre s'échappent vers l'espace et le sol se refroidit rapidement.
Si le ciel est nuageux, une partie des rayons émis par la surface de la Terre est absorbée par les nuages. Les nuages vont émettre à leur tour de l'énergie vers l'espace et vers la Terre sous forme de rayonnement. Le sol absorbe les rayons émis par les nuages et se réchauffe un peu. Par la suite, le sol réchauffe l'air qui est au-dessus. Donc, si la nuit est nuageuse, la température de l'air se refroidit moins rapidement que si la nuit était claire. Cela veut dire qu'il fera plus chaud cette nuit-là.

L’orage (eau-rage, oh désespoir...) :
La plupart des orages se forment lorsqu’un nuage est soumis à un soulèvement qui le transporte à une altitude où la température est nettement plus basse. Le nuage aspire alors à sa base de l’air chaud et chargé d’humidité, s’organise en cellule convective avec en son sein de fortes différences de densité. Celles-ci amplifient considérablement l’agitation convective, ce qui permet au nuage d’atteindre de hautes altitudes où les basses températures favorisent la condensation de l’eau, la formation de grosses gouttes puis leur chute en averses abondantes. L’orage apparaît lorsque, dans ces nuages fortement agités entre la phase gazeuse légère et ascendante et la phase liquide constituée de gouttes beaucoup plus lourdes entraînées vers le sol par gravité, les frottements sont suffisants pour engendrer une ionisation de l’air accompagnée d’éclairs et de tonnerre (dans le nuage électriquement neutre, les charges électriques positives et négatives se séparent).
La différence de potentiel à l’origine de la foudre peut produire un plasma, ce qui cause une expansion explosive de l’air. L’éclair vu par un observateur résulte de la dissipation de ce plasma.

L’évaporation de la pluie tombée sur le sol provoque son refroidissement progressif et celui des couches d’air voisines, réduisant ainsi la cause de l’orage : présence d’air chaud et humide dans un environnement plus froid. À moins qu’un apport d’air chaud et humide extérieur ne compense ce refroidissement local, la fin de l’orage est dès lors annoncée.
Lorsqu’une masse nuageuse assez lourde effectue une rotation suffisante, la cellule convective décrite précédemment peut évoluer en tornade, dont la structure se caractérise par un tube d’axe presque vertical tourbillonnant du nuage au sol ou à la mer, sans que cela affecte son caractère orageux. Ce tourbillon est appelé « tuba ». Des circonstances assez exceptionnelles sont nécessaires pour que, dans la partie basse de la cellule orageuse, une sorte de toupie se forme et descende au contact du sol, en concentrant très localement à la fois la rotation prélevée alentour et la charge en gouttes (voir figure ci-après). Ce phénomène est dévastateur.

Organisation interne d’une cellule orageuse raccordée au sol par une tornade. Même si les échelles ne sont pas rigoureusement respectées, noter la petite taille de la tornade (hachures grises) par rapport à celle des courants ascendant et tournant (couleur bleue et pâle). La longueur de la tornade peut être de 10 à 100 m, l’épaisseur totale de la masse nuageuse de 5.000 m. Le diamètre de la tornade peut être de 2 à 10 m, alors que celui du courant ascendant peut atteindre 100 m. © Grenoble Sciences.

Phénomène météo : les nuages d'ondes de Kelvin-Helmholtz...?
D'étonnantes vagues nuageuses apparaissent parfois l'espace de quelques minutes avant de disparaître : les nuages d'ondes (de Kelvin-Helmholtz), qui peuvent donner l'impression d'observer un tsunami dans le ciel, se forment partout dans le monde.
Si certains n'hésitent pas à l'appeler « tsunami de nuages » tant les vagues du phénomène peuvent être impressionnantes, les ondes de Kelvin-Helmholtz sont inoffensives : l'observateur sur terre ne risque rien, ni pluie ni vent ..Mais ces vagues nuageuses témoignent tout de même d'une forte instabilité présente en altitude : les pilotes d'avion tentent en général de les éviter car ces ondes peuvent être à l'origine de fortes turbulences...L'Atlas international des Nuages a récemment renommé ce nuage Fluctus (mot latin pour « flotter » ou « vague »), mais le terme majoritairement utilisé reste celui de Kelvin-Helmholtz, du nom des deux physiciens qui l'ont décrit pour la première fois.
Les nuages d'onde de Kelvin-Helmholtz sont régulièrement aperçus partout dans le monde, et plusieurs fois par an en France. Cependant, les plus spectaculaires d'entre eux sont en général photographiés au-dessus de la mer, près des côtes, ou en montagne, proches des zones où les courants de vents en altitude sont plus forts.
Ce même type d'ondes peut se produire dans l'eau, notamment lors de la rencontre de l'eau douce d'un fleuve qui se jette dans l'eau salée de la mer. Ici aussi, ce sont les variations de vitesse et de densité qui génèrent ces ondes maritimes, parfois visibles dans les images satellites. Les ondes ont aussi déjà été observées dans les profondeurs des océans, jusqu'à 500 m sous la surface...
Dans l'espace, des ondes de Kelvin-Helmholtz ont déjà été observées autour de la couronne du Soleil, de Jupiter, de Saturne à la surface d'un nuage interstellaire ??
Explications.
Des ondulations liées à des différences de vitesses :
Le phénomène se forme à la limite entre les nuages et le ciel dégagé, lorsqu'une masse d'air chaud circule au-dessus d'une couche d'air froid, plus basse.
En raison de la présence de forts vents horizontaux, la couche supérieure se déplace plus rapidement que la couche inférieure : cette instabilité forme alors des ondulations, avec des crêtes à son sommet, plus ou moins spectaculaires en fonction des courants de vent.
Ce sont donc les variations de vitesse entre ces deux couches qui façonnent ces « vagues » ou « lames » toujours en mouvement, avec la légère rotation que l'on peut apercevoir. La couche supérieure est plus chaude, mais aussi plus sèche que celle d'en dessous en raison de sa vitesse, ce qui provoque l'évaporation du sommet du nuage de manière dentelée.
La formation et la déformation du phénomène sont très facilement observables à l'œil nu et cette forme étonnante ne dure en général que quelques minutes, voire même moins d'une minute !

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