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Un cumulus, nuage de beau temps
Un nuage est une certaine quantité d’eau qui est suspendue dans les air et qui, quand il pleut, retombe sur terre.

Il y a deux questions auxquelles je vais répondre ici :

  • pourquoi un nuage ne tombe pas ?
  • combien pèse un nuage ?

Pourquoi un nuage ne tombe pas ?

Un nuage ne tombe pas parce qu’il est plus léger que l’air !

Je crois qu’il faudra quelques explications en plus ici.
La formation des nuages sera étudiée dans un autre article, mais pour faire court, disons qu’un nuage se forme grâce à l’évaporation de l’eau de surface.

L’évaporation, c’est le passage de l’état liquide à l’état de gaz : l’eau « gazeuse* » dans l’air — l’hygrométrie — ce sont des molécules d’eau qui prennent la place des molécules de l’air.

Or, grâce à la loi d'Avogadro en thermodynamique qui dit :

Un volume de gaz comporte le même nombre de molécules, quelque soit le gaz.

Qu’un volume d’air humide contient autant de molécules que l’air sec. Ceci est important car la molécule d’eau a une masse molaire de 18 g/mol, et celles de l’air de 28,9 g/mol.
On voit donc que l’eau gazeuse est environ 30% plus léger que l’air : quand l’eau s’évapore du sol, il est plus léger que l’air et grimpe.

L’humidité qui monte finit alors par se condenser en altitude, là où il fait plus froid : le nuage à proprement parler se forme et devient visible. À ce stade, il est est toujours moins dense que l’air, et il flotte sur les couches d’air en dessous de lui. En plus de cela, de l’air humide continue d’arriver en dessous et le pousse vers le haut, l’empêchant là aussi de tomber.

Pour conclure : le nuage ne tombe pas pour deux raisons : le nuage flotte sur des couches d’air plus denses que lui et l’air humide continue de le pousser vers le haut, l’empêchant de tomber.

Combien pèse un nuage ?

Un nuage est plus léger que l’air : s’il se trouvait au niveau du sol et que vous pouviez vous y accrocher, il vous soulèverait comme le ferait une montgolfière. Le nuage ne peut donc pas être pesé au sens habituel.
En revanche, on peut bien-sûr estimer combien d’eau est contenu dans un nuage, et c’est ce que je vais faire.

Tous les nuages ne sont pas identiques : certains contiennent plus d’eau que d’autres et ils ont des tailles variables. Pour le calcul, prenons on nuage typique : un cumulus (photo), ou « nuage de beau temps ».

Ces nuages se forment lorsque quand il fait beau et un peu humide mais pas excessivement chaud non plus. Le cumulus ne produit généralement pas de pluie et ne fait que passer au dessus de nos têtes. Il s’étendent sur plusieurs centaines de mètres en hauteur et autant (voire plus) en largeur. Leur teneur en eau est d’environ 0,30 grammes d’eau par mètre cube.

Pour simplifier les calculs, prenons un cumulus en forme de cube de 500 mètres de côté.

Son volume est donc de $v = 125 millions m^3$

La teneur en eau d’un cumulus est d’environ 0,30 grammes par mètre cube. Ce n’est pas beaucoup : il faut 10 mètres cube pour remplir une cuillère à café, mais notre nuage, si immense qu’il est, contient une masse d’eau de :

$$m_{eau} = 37,5 tonnes$$

Ça représente 37,5 mètre cubes d’eau liquide contenus dans un seul cumulus de taille moyenne et flottant au dessus de votre tête. Ce n’est pas mal, non ?

Certains nuages peuvent être beaucoup plus gros et plus massifs : les cumulonimbus font partie des plus gros d’entre eux et sont responsables des gros orages estivaux, avec grêlons, vent, foudre et fortes pluies. Leur hauteur peut atteindre 15 km et leur étalement en forme d’enclume s’étale sur plusieurs kilomètres à la ronde. Pour ne rien arranger, leur taux d’humidité est environ 10 fois plus forte que le cumulus.
La quantité d’eau contenue dans un tel nuage est par conséquent énorme : un cumulonimbus peut transporter jusqu’à 50 000 tonnes d’eau, soit autant que 20 piscines olympiques !

Ressources :

image de Ellen M

9 commentaires

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Alabama a dit :
Que d'eau...Que d'eau
Faut rigoler, faut rigoler
Pour pas qu'le ciel nous tombe sur la tête
Faut rigoler, faut rigoler
Pour empêcher le ciel de tomber
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Kao a dit :
50 000 tonnes d'eau = 50 000 m3 = 50 000 000 litres

Ce qui correspond à 1 mm d'eau sur 50 000 000 m² soit un carré de 7 km de coté.

Maintenant on peut relativiser, quand on voit une pluie "classique" de 10 mm sur une journée sur toute une région, sur la masse d'eau qui est au dessus de nos têtes.

Kao
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Le Hollandais Volant a dit :
@Kao :
Ce qui correspond à 1 mm d'eau sur 50 000 000 m² soit un carré de 7 km de coté.

Ou bien 100 mm sur un carré de 700 m de côté, ou 10 000 mm sur un carré de 70 m.

Si toute l’eau d’un tel cumulonimbus tombe sur un terrain de football (120 m × 90 m soit ~10 000 m²), ça revient environ à 5 m d’eau.
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Def a dit :
On peut aujourd'hui se passer du js pour afficher les formules mathématiques : il suffit de les générer avec Libreoffice Math, puis de les exporter en MathML et de copier le résultat directement dans le HTML.
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Le Hollandais Volant a dit :
@Def : oui, je sais, mais la syntaxe xml est très lourde et supportée dans Firefox seulement.

Alors que JavaScript est aujourd'hui supporté par tous les navigateurs, de façon de plus en plus uniforme.
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Mouslim a dit :
C'est Lui qui vous fait voir l'éclair (qui vous inspire) crainte et espoir ; et Il créé les nuages lourds. (Coran, 13 : 12)

C'est Lui qui envoie les vents comme une annonce de Sa miséricorde. Puis lorsqu'ils transportent une nuée lourde, Nous la dirigeons vers un pays mort [de sécheresse], puis Nous en faisons descendre l'eau, ensuite Nous en faisons sortir toutes espèces de fruits. (Coran, 7 : 57)
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Oliverpool a dit :
Est-ce qu'il serait possible de calculer la masse d'un nuage en considérant son altitude ?

En effet le nuage "nage" dans l'air et en connaissant les différents niveaux de pression atmosphérique, on pourrait en déduire la masse volumique ! (je pense que le changement de gravité influence peu à ce niveau là)
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Le Hollandais Volant a dit :
@Oliverpool : Si on considère (de façon simpliste) que la température diminue en fonction de l’altitude selon un fonction connue (linéaire par exemple), et connaissant la pression, avec l’altitude de formation du nuage on peut déduire son taux d’humidité, et ainsi sa masse volumique.

Plus l’air est humide, plus le nuage se forme (les gouttelettes qui précipitent) tôt (la température n’a pas besoin de baisser trop) et donc à basse altitude.

Mais c’est seulement possible dans un cas "idéal" et simplifié : en réalité il faut tenir compte du vent, de l’heure de la journée (éclairement solaire), etc.
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Bidule a dit :

@Mouslim : c'est une façon de dire les choses quand on n'a aucune connaissance scientifique
C'est rigolo mais c'est faux en faisant croire que ... Etc ...

Croire n'a jamais rien fait exister, même pas le père noël


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