7Les nuages, la pluie et la neige

C’est un chaud après-midi d’été. À midi, le ciel était bleu, avec quelques petits nuages blancs comme des boules de coton. Vers trois heures, l’un d’eux a grandi. Il gonfle vers le haut, de plus en plus haut, comme un chou-fleur blanc posé sur une base grise et plate. Son sommet s’étale. Sa base devient sombre. Une rafale de vent frais souffle, les premières grosses gouttes tombent, et pendant vingt minutes il pleut à verse. Puis le nuage s’éloigne, le soleil revient, et les trottoirs mouillés fument.

D’où venait ce nuage ? De quoi est-il fait ? Et combien de pluie est tombée pendant ces vingt minutes ?

Tu sais déjà

Le temps qu’il fait, c’est l’état de l’air en un lieu et à un moment donnés : ensoleillé, nuageux, pluvieux, neigeux, venteux, brumeux ; nous le notons dans un tableau météo (Chapitre 1). L’eau de la mer, des lacs et du sol monte dans l’air, puis retombe sous forme de pluie (Chapitre 3). Les livres de physique expliquent comment l’eau s’évapore (de liquide, elle devient un gaz invisible), se condense (de gaz, elle redevient de minuscules gouttes de liquide) et gèle (de liquide, elle devient de la glace), et comment un thermomètre mesure la température en degrés Celsius.

7.1 Qu’est-ce qu’un nuage ?

L’air qui nous entoure contient toujours un peu d’eau, sous forme d’un gaz invisible : la vapeur d’eau. Quand l’air monte, il se refroidit. Quand il s’est assez refroidi, une partie de sa vapeur d’eau se condense en gouttelettes d’eau si minuscules que le moindre souffle d’air les maintient en suspension. Des milliards de ces gouttelettes, côte à côte, forment un nuage que nous pouvons voir. En altitude, là où l’air est très froid, les gouttelettes gèlent, et le nuage est fait de minuscules morceaux de glace.

Définition 7.1 (Nuage et brouillard)

Un nuage est un très grand nombre de minuscules gouttelettes d’eau, ou de minuscules morceaux de glace, qui flottent ensemble dans l’air. Le brouillard est un nuage qui touche le sol.

Exemple 7.2 (Ton haleine un matin froid)

Un matin froid, ton haleine fait un petit nuage blanc devant ta bouche. L’air que tu expires est chaud et contient de la vapeur d’eau. L’air froid le refroidit aussitôt, la vapeur se condense en minuscules gouttelettes — et un nuage miniature apparaît, puis disparaît quand les gouttelettes s’évaporent de nouveau.

Un nuage est blanc parce que ses gouttelettes renvoient la lumière du Soleil dans toutes les directions. Quand il est très épais, peu de lumière parvient jusqu’à sa base, et vu d’en dessous il paraît gris, ou presque noir : c’est le signe d’un nuage lourd, chargé d’eau.

7.2 Les familles de nuages

Les nuages prennent bien des formes, et les observateurs du temps du monde entier les classent de la même manière, d’après leur forme et la hauteur à laquelle ils flottent.

Définition 7.3 (Familles de nuages)

Les quatre familles de nuages à connaître sont :

• les cumulus : des nuages en tas, blancs et gonflés, à la base plate, comme des boules de coton ;
• les stratus : des nuages en couche, une nappe grise et plate qui couvre tout le ciel, à basse altitude ;
• les cirrus : des nuages en filaments, de fins fils blancs ou des boucles, très hauts, faits de glace ;
• le cumulonimbus : le nuage d’orage, une tour immense qui s’élève d’une base basse et sombre jusqu’à une très grande hauteur, et dont le sommet s’étale souvent à plat.

Ces noms sont des mots latins : cumulus veut dire un tas, stratus une couche, cirrus une boucle de cheveux, et nimbus un nuage de pluie.

À quelle hauteur flottent les nuages ? Cela dépend de leur famille. Les nuages bas, comme les stratus et la base des cumulus, flottent depuis à peine au-dessus du sol jusqu’à environ 2 kilomètres. Les cirrus flottent très haut, entre environ 5 et 13 kilomètres en dehors des tropiques et des régions polaires — souvent plus haut que la plus haute montagne de la Terre. Un cumulonimbus s’étend depuis une base basse jusqu’au sommet même des étages de nuages.

Méthode 7.4 (Nommer un nuage)

Regarde le ciel et pose-toi trois questions :

1. Est-ce un tas à la base plate ? Alors c’est un cumulus — et s’il s’élève en une immense tour sombre, un cumulonimbus.
2. Est-ce une nappe plate et régulière qui cache tout le ciel ? Alors c’est un stratus.
3. Est-il fait de fins fils blancs, très hauts ? Alors c’est un cirrus.

Remarque 7.5 (Les nuages annoncent le temps)

De petits cumulus dans un ciel bleu annoncent le beau temps. Un stratus gris apporte une journée terne, parfois avec de la bruine. Un cumulonimbus apporte une averse courte et forte, souvent avec du tonnerre, des éclairs et des rafales de vent — parfois de la grêle. Les cirrus n’apportent pas de pluie, mais quand ils s’étendent et s’épaississent, la pluie suit souvent un jour plus tard.

7.3 La pluie, la neige et la grêle

À l’intérieur d’un nuage, les minuscules gouttelettes se heurtent et se réunissent, ou bien des cristaux de glace grossissent aux dépens des gouttelettes. Une goutte de nuage, ou un cristal, devenue assez grosse et assez lourde ne peut plus flotter : elle tombe.

Définition 7.6 (Précipitations)

Les précipitations sont l’eau qui tombe d’un nuage jusqu’au sol : la pluie (des gouttes d’eau liquide), la neige (des flocons faits de cristaux de glace collés ensemble) ou la grêle (des billes de glace, appelées grêlons, qui tombent des nuages d’orage).

Qu’il pleuve ou qu’il neige dépend de la température de l’air que traversent les précipitations. Les flocons de neige se forment en haut, dans le nuage froid. Si l’air en dessous est au-dessus de $0\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ assez longtemps, ils fondent pendant leur chute et nous arrivent sous forme de pluie. Si l’air est sous zéro jusqu’au sol, ils arrivent sous forme de neige.

La grêle ne tombe que des cumulonimbus. À l’intérieur de la tour, de puissants vents ascendants font monter et descendre des grains de glace plusieurs fois ; chaque voyage ajoute une nouvelle couche de glace, comme les couches d’un oignon, jusqu’à ce que le grêlon soit trop lourd pour que le vent le retienne.

7.4 Mesurer le temps qu’il fait

Pour dire combien il a plu, quelle température il faisait ou d’où soufflait le vent, les mots ne suffisent pas : il nous faut des instruments, et des nombres.

Définition 7.7 (Pluviomètre)

Un pluviomètre est un récipient qui recueille la pluie tombant sur son ouverture. La hauteur d’eau recueillie se mesure en millimètres : « 5 millimètres de pluie » veut dire que la pluie aurait formé une couche d’eau de 5 millimètres d’épaisseur sur un sol plat, si rien n’avait ruisselé ni ne s’était infiltré.

Remarque 7.8 (Un millimètre de pluie, c’est beaucoup d’eau)

Un millimètre de pluie paraît minuscule dans le pluviomètre. Mais sur un carré de sol d’un mètre sur un mètre, cela fait un litre d’eau : une grande bouteille. Sur une cour d’école de mille mètres carrés, une pluie de 10 millimètres apporte dix mille litres : de quoi remplir mille seaux de 10 litres chacun.

Définition 7.9 (Girouette)

Une girouette est une flèche qui tourne librement sur un mât. Le vent pousse sa queue, si bien que la flèche montre toujours la direction d’où vient le vent.

Définition 7.10 (Station météo)

Une station météo est un lieu où l’on mesure le temps qu’il fait chaque jour, toujours de la même façon, avec des instruments : un thermomètre dans un abri blanc aéré, un pluviomètre à découvert, une girouette sur un mât.

Le thermomètre est gardé à l’ombre, dans un abri blanc aux parois à lamelles qui laissent passer l’air mais arrêtent le soleil et la pluie. Le Met Office, le service météorologique du Royaume-Uni, le place à $1.25\,\mathrm{m}$ au-dessus du sol. Le pluviomètre est installé à découvert, loin des murs et des arbres qui l’abriteraient de la pluie, son ouverture un peu au-dessus du sol. La girouette est en haut de son mât, au-dessus des obstacles qui dévieraient le vent.

Sur le terrain — Une station météo dans la cour de l’école

Beaucoup d’écoles ont une petite station météo dans un coin de la cour. Chaque matin à la même heure, deux élèves lisent le thermomètre, lisent et vident le pluviomètre, et notent où pointe la girouette. Semaine après semaine, la classe constitue un relevé de son propre temps.

Méthode 7.11 (Tracer un diagramme en bâtons de la pluie)

Pour représenter la pluie d’une semaine :

1. trace une ligne horizontale et écris les jours dessous, à intervalles réguliers ;
2. trace une ligne verticale à gauche et gradue-la en millimètres, avec des pas égaux (par exemple tous les 2 millimètres) ;
3. au-dessus de chaque jour, dessine un bâton aussi haut que la pluie de ce jour ; un jour sans pluie n’a pas de bâton du tout ;
4. donne un titre au diagramme et écris l’unité, mm, sur la ligne verticale.

Exemple 7.12 (Une semaine de pluie à l’école)

La classe a lu le pluviomètre chaque matin pendant une semaine et a trouvé : lundi 0, mardi 4, mercredi 12, jeudi 7, vendredi 0, samedi 2, dimanche 5 millimètres. Le jour le plus pluvieux a été mercredi. Il n’a plu ni lundi ni vendredi. Sur toute la semaine, $0 + 4 + 12 + 7 + 0 + 2 + 5 = 30$ millimètres sont tombés. Mercredi, à lui seul, a apporté 12 des 30 millimètres, soit $\frac{12}{30} = \frac{2}{5}$ de la pluie de la semaine.

7.5 Exercices

Exercice 7.1 ★

De quoi est fait un nuage ? Qu’est-ce que le brouillard ?

Solution

Solution de Exercice 7.1.

Un nuage est fait d’un très grand nombre de minuscules gouttelettes d’eau, ou de minuscules morceaux de glace, qui flottent dans l’air. Le brouillard est un nuage qui touche le sol.

Exercice 7.2 ★

Nomme le nuage : (a) une nappe grise et plate qui cache tout le ciel ; (b) de fins fils blancs très hauts dans un ciel bleu ; (c) des tas blancs à la base plate, comme du coton ; (d) une immense tour sombre au sommet plat, qui apporte le tonnerre.

Solution

Solution de Exercice 7.2.

(a) Un stratus. (b) Des cirrus. (c) Des cumulus. (d) Un cumulonimbus.

Exercice 7.3 ★

Pluie, neige ou grêle ? (a) des billes de glace qui tombent d’un nuage d’orage ; (b) des gouttes d’eau liquide ; (c) des flocons faits de cristaux de glace.

Solution

Solution de Exercice 7.3.

(a) De la grêle. (b) De la pluie. (c) De la neige.

Exercice 7.4 ★

Quel instrument mesure : (a) la pluie ; (b) la température ; (c) d’où vient le vent ?

Solution

Solution de Exercice 7.4.

(a) Un pluviomètre. (b) Un thermomètre. (c) Une girouette.

Exercice 7.5 ★

Dans le pluviomètre dessiné page 46, l’eau atteint maintenant la graduation 17. Combien de millimètres de pluie sont tombés ? Combien de millimètres de plus l’amèneraient à 20 ?

Solution

Solution de Exercice 7.5.

17 millimètres de pluie sont tombés. $20 - 17 = 3$ : 3 millimètres de plus amèneraient l’eau à la graduation 20.

Exercice 7.6 ★

Regarde le diagramme en bâtons de la page 47. Quel jour a été le plus pluvieux ? Quels jours n’a-t-il pas plu ? Quel jour a eu 7 millimètres ?

Solution

Solution de Exercice 7.6.

Le jour le plus pluvieux a été mercredi (12 millimètres). Il n’a plu ni lundi ni vendredi. Jeudi a eu 7 millimètres.

Exercice 7.7 ★★

Un matin de neige, les flocons arrivent jusqu’au sol dans le village de montagne, mais dans la vallée en contrebas il pleut. Explique la différence à l’aide de la température de l’air.

Solution

Solution de Exercice 7.7.

Les flocons se forment en haut, dans le nuage froid. Là-haut, au village de montagne, l’air est sous zéro jusqu’en bas, donc ils arrivent sous forme de neige. Plus bas, dans la vallée, l’air est plus chaud que $0\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ : en le traversant pendant leur chute, les flocons fondent, et ils arrivent au sol sous forme de pluie.

Exercice 7.8 ★★

Une autre semaine, la classe trouve : lundi 3, mardi 0, mercredi 1, jeudi 9, vendredi 6, samedi 0, dimanche 1 millimètre. Trace le diagramme en bâtons. Combien de millimètres sont tombés dans la semaine ? Quelle fraction de la pluie de la semaine est tombée jeudi ?

Solution

Solution de Exercice 7.8.

Le diagramme a sept bâtons de hauteurs 3, 0, 1, 9, 6, 0 et 1 (pas de bâton mardi ni samedi). Dans la semaine, $3 + 0 + 1 + 9 + 6 + 0 + 1 = 20$ millimètres sont tombés. Jeudi a apporté 9 des 20 millimètres : $\frac{9}{20}$ de la pluie de la semaine.

Exercice 7.9 ★★

Pourquoi le pluviomètre doit-il être à découvert, loin des murs et des arbres ? Pourquoi garde-t-on le thermomètre dans un abri blanc à l’ombre, et non en plein soleil ?

Solution

Solution de Exercice 7.9.

Les murs et les arbres abritent de la pluie le sol qui les entoure, surtout quand le vent pousse la pluie de côté, et des gouttes peuvent tomber des feuilles dans le pluviomètre : près d’eux, le pluviomètre recueillerait trop peu d’eau, ou trop. Le thermomètre doit mesurer la température de l’air ; en plein soleil, il serait chauffé par le soleil lui-même et indiquerait une valeur trop haute. L’abri blanc à lamelles arrête le soleil et laisse passer l’air.

Exercice 7.10 ★★

La girouette montre l’ouest. D’où vient le vent ? Où va-t-il ?

Solution

Solution de Exercice 7.10.

Une girouette montre d’où vient le vent : le vent vient de l’ouest. Il va vers l’est.

Exercice 7.11 ★★★

Sur une cour de 500 mètres carrés, il tombe 8 millimètres de pluie. À l’aide de la Remarque 7.8, combien de litres d’eau sont tombés sur la cour ? Un arrosoir contient 10 litres : combien d’arrosoirs cela fait-il ?

Solution

Solution de Exercice 7.11.

Un millimètre de pluie sur un mètre carré, c’est un litre. Sur un mètre carré, 8 millimètres donnent 8 litres. Sur 500 mètres carrés : $500 \times 8 = 4000$ litres. Avec des arrosoirs de 10 litres : $4000 \div 10 = 400$ arrosoirs.