Un nuage typique peut contenir des centaines de tonnes d’eau

Un cumulus de beau temps peut contenir environ 500 tonnes métriques d’eau liquide si son volume est d’environ 1 km³. Cette estimation repose sur environ 0.5 g d’eau liquide par mètre cube, multipliés par le volume du nuage ; l’estimation du poids d’un nuage de l’U.S. Geological Survey (s’ouvre dans un nouvel onglet) utilise ce type de calcul.

Ce total évoque une masse d’eau prête à tomber. Mais l’estimation porte sur de l’eau liquide dispersée sous forme de minuscules gouttelettes, et non sur une mare ou une masse solide. Le reste du volume du nuage est constitué d’air, qui joue un rôle important dans le maintien des gouttelettes en suspension.

D’abord, estimons le volume du nuage

Les nuages ont des sommets bosselés, des bases plus plates et des contours qui se fondent dans le ciel dégagé. Pour faire une estimation exploitable, imaginons un cumulus de beau temps d’environ 1 km de large, 1 km de profondeur et 1 km de haut. En l’assimilant à un cube, on obtient un volume d’environ 1 km³, soit 1 milliard de m³. Le guide des nuages du National Weather Service (s’ouvre dans un nouvel onglet) explique comment la montée de l’air humide forme les nuages.

Ce modèle simplifie les variations à l’intérieur du nuage : certaines zones contiennent davantage de gouttelettes que d’autres, tandis que les contours diffus se mêlent à l’air environnant. Appliquer une teneur moyenne en eau à tout le volume rend le calcul facile à effectuer, sans prétendre que chaque partie du nuage a le même aspect ou contient la même quantité d’eau.

Une distance de 1 km est facile à visualiser en la comparant à un monument. Le Burj Khalifa culmine à 828 m (2,720 ft) ; placé à côté de la largeur estimée du nuage, il n’atteindrait pas tout à fait l’autre côté. Le nuage s’étend en une vaste zone au-dessus de nos têtes : ce n’est pas une tour dressée sur le sol.

Les repères naturels donnent une autre idée de l’échelle. Big Daddy Dune s’élève à 325 m (1,070 ft), soit environ 2.8 fois la hauteur de Hyperion, le séquoia de 116 m (380 ft). Leurs silhouettes différentes aident à comparer l’étendue d’un kilomètre du nuage à des hauteurs mesurées depuis le sol.

Multiplier le volume par la quantité d’eau qu’il contient

Le modèle attribue environ 0.5 g d’eau liquide (s’ouvre dans un nouvel onglet) à chaque mètre cube. Multiplions cette quantité par les 1 milliard de m³ du nuage : 0.5 g/m³ × 1,000,000,000 m³ = 500,000,000 g. Cela représente 500,000 kg, soit environ 500 tonnes métriques d’eau liquide.

On peut aussi suivre le calcul en imaginant que le nuage est divisé en cubes d’un mètre de côté. Chaque cube ne contient qu’un demi-gramme d’eau, mais le modèle en compte 1 milliard. Une petite quantité répétée dans un volume immense donne un total important.

C’est la même méthode de base que celle présentée dans les conseils d’estimation : choisir un volume, estimer la quantité contenue dans chacune de ses unités, puis multiplier. Le résultat est une estimation de l’eau liquide seulement. Il ne tient pas compte de l’air qui occupe le même espace.

Le nuage contient aussi une immense quantité d’air

Près du niveau de la mer, un mètre cube d’air a une masse d’environ 1.2 kg (s’ouvre dans un nouvel onglet). Le modèle contient donc environ 1.2 milliard de kg d’air dans ses 1 milliard de m³, soit 1.2 million de tonnes métriques. C’est environ 2,400 fois la masse estimée de l’eau liquide.

Les gouttelettes sont mélangées à l’air ; elles ne le remplacent pas. L’air humide peut aussi être moins dense que l’air plus sec qui l’entoure, comme l’explique l’U.S. Geological Survey. La vapeur d’eau est plus légère que les molécules d’azote et d’oxygène qu’elle déplace, et les différences de température influent également sur la montée ou la descente de l’air.

Le nuage n’est donc pas soutenu par une enveloppe cachée. C’est une région de l’atmosphère où les gouttelettes d’eau sont emportées par l’air en mouvement. La masse totale d’eau peut être importante, alors que chaque partie du nuage reste une fine brume dispersée dans un volume d’air bien plus grand.

Pourquoi des centaines de tonnes d’eau ne tombent pas d’un seul coup

Une gouttelette typique de nuage mesure environ 20 micrometres de diamètre (s’ouvre dans un nouvel onglet). Un cheveu humain fait environ 70 µm de large : chaque gouttelette est donc bien plus petite que le cheveu que l’on connaît. La gravité entraîne les gouttelettes vers le bas, mais leur taille minuscule permet à la résistance de l’air de ralentir leur chute ; les courants ascendants et les turbulences peuvent les maintenir en mouvement avec l’air.

Les nuages se forment lorsque l’air humide s’élève et se refroidit, ce qui permet à l’eau de se condenser en gouttelettes. Là où l’air se déplace ou s’assèche, les gouttelettes s’évaporent et le contour visible s’estompe. Le sommet blanc et bien dessiné d’un cumulus et ses bords irréguliers témoignent des variations de l’air et de l’humidité, et non d’une forme immuable.

Lorsque les gouttelettes ou les particules de glace grossissent suffisamment, elles peuvent tomber sous forme de pluie ou d’autres précipitations. Ce processus diffère de la sustentation des dirigeables et des ballons, qui dépend de la poussée d’Archimède à l’intérieur d’une enveloppe. Un nuage n’a pas d’enveloppe : ses gouttelettes se déplacent avec l’air qui les entoure.

Vu du sol, un cumulus se détache sur le ciel bleu avec son sommet blanc, tandis que ses contours irréguliers s’amincissent jusqu’à ce que la brume disparaisse.