Formation des gouttes

La formation des gouttes

Un nuage se crée dans l'atmosphère lorsque la vapeur d'eau devient liquide, donc lorsque l'air se refroidit. Plus précisément, quelle est la relation entre la température et la quantité d'eau contenue dans l'air? Et dans un nuage, quelle est la taille des gouttelettes?

La saturation de l'air

La quantité maximale de vapeur d'eau que de l'air peut emmagasiner dépend de la température. A une température donnée, le rapport entre la quantité de vapeur d'eau contenue dans l'air sur la quantité maximale que ce volume d'air peut contenir est appelé humidité relative.

On dit que l'air est saturé lorsqu'il contient le maximum de vapeur d'eau qu'il peut contenir. L'air saturé a donc une humidité relative de 100%.
L'air est dit sursaturé lorsque son humidité relative est supérieure à 100 %.

Le tableau ci-dessous indique la quantité maximale de vapeur d'eau que de l'air peut contenir à une température donnée, avant que la condensation commence:

T°C -20 -10 0 +10 +20 +30
Quantité de vapeur d'eau
(g d'eau/m3 d'air)
1,1 2,3 4,8 9,4 17,3 30,5

Voir aussi la courbe de saturation de vapeur d'eau pour davantage de valeurs.

Par exemple, imaginez une parcelle d'air à 20°C, qui contient 9,4 g/m3 de vapeur d'eau. L'humidité relative est alors égale à 100 x (9,4/17,3) = 54,3%. Supposez maintenant que cette parcelle d'air se refroidisse jusqu'à 10°C (par exemple en s'élevant dans l'atmosphère): l'humidité relative est maintenant de 100%. L'air est saturé. Imaginez que la température continue à décroître jusqu'à 0°C. A cette température, la quantité maximale de vapeur d'eau que l'air peut contenir n'est plus que de 4,8 g/m3.La parcelle d'air est sursaturée par (9,4 - 4,8) = 4,6 g d'eau. Cette eau "en trop" condense sur les petites particules contenues dans l'air et forme ainsi des gouttes nuageuses. Ceci permet à la parcelle d'air de retrouver une humidité relative de 100%, avec une concentration en vapeur d'eau de 4,8 g/m3.

Plus l'air est chaud et plus il peut contenir d'eau. C'est pour ça qu'on utilise de l'air chaud pour sécher les objets: il "absorbe" l'humidité. A l'inverse, refroidir de l'air saturé oblige l'eau qu'il contient à condenser et donc à devenir liquide. C'est à cause de cela qu'une canette de soda froide, pourtant sèche au départ, semble transpirer en été: l'air qui est juste à proximité se refroidit et abandonne une partie de son eau.

1. Une canette de soda qui transpire. Source: C. Gourbeyre.

Les gouttes dans les nuages

La taille des gouttelettes dans les nuages varie de quelques microns à plus de 100 µm (0,1 mm) pour les plus grosses, le diamètre moyen étant d'environ 10 µm. Les nuages au dessus des continents ont généralement des gouttelettes plus petites que les nuages marins, qui ont eux une concentration de gouttelettes plus faible, avec des gouttelettes plus grosses. La concentration des gouttelettes dans un nuage varie approximativement entre 25 000 et 1 million de gouttes par litre d'air. La distance entre 2 gouttelettes est d'environ 1,4 mm, ce qui correspond à 70 fois leur diamètre: cela ressemble à un ballon de foot tous les 20 ou 30 mètres. Mais pour précipiter, les gouttes doivent grossir jusqu'à atteindre à peu près 1 mm, ce qui signifie qu'elles doivent devenir 100 fois plus grosses qu'à l'origine!

Dans ce qu'on appelle les "nuages chauds" (ce sont ceux qui ne contiennent pas de glace), les gouttelettes grossissent en se collant les unes aux autres. Avec le temps elles deviennent de plus en plus grosses, jusqu'à ce qu'elles soient trop lourdes pour pouvoir flotter dans l'air et y être maintenues par les courants ascendants qui contrebalancent les effets de la gravité. Elles précipitent alors. Dans les cumulonimbus par exemple, les courants verticaux sont très forts et combattent donc fortement la chute due au poids, c'est donc pour ça que les gouttes de pluie sont si grosses durant les orages.

Les nuages plus froids sont composés de cristaux de glace, d'eau liquide et de vapeur d'eau. La vapeur d'eau condense sur les cristaux de glace, et les gouttes d'eau liquide gèlent en contact des cristaux. Ils grossissent ainsi de plus en plus, et finissent par tomber sous forme de neige, ou bien de pluie s'ils fondent en l'air avant d'arriver au sol.

Last modified: Wednesday, 19 September 2018, 12:01 PM