Lumière naturelle issue de la voute céleste > Les nuages

Les constituants qui viennent d’être présentés décrivent une atmosphère absente de nuages. De par leur composition et leur densité, les corps nuageux modifient radicalement le comportement des rayonnements électromagnétiques dans le ciel. Par conséquent, il est important de les distinguer du reste de l’atmosphère.

Les nuages contiennent des particules en suspension dans l’air, sur lesquelles la condensation se forme. Ceci explique pourquoi après certains orages le ciel semble plus limpide, épuré des poussières atmosphériques.



Mais les nuages sont essentiellement des formations d’amas de vapeur, de gouttes et parfois de corps solides à base d’eau (glace plus ou moins pure). Ils sont créés soit par refroidissement des masses d’air en altitude, soit par condensation d’air ascendant. Parfois, une turbulence atmosphérique peut générer une humidification suffisante à l’apparition de nuages. À l'état de vapeur, l'eau est invisible : contrairement à ce que l'on pourrait penser, la buée qui s'échappe d'un liquide en ébullition n'est pas de la vapeur d'eau mais bien de l'eau déjà condensée en très fines gouttelettes. Ainsi, contrairement à la vapeur d’eau en suspension dans l’air, un nuage «visible» est nécessairement constitué d'une suspension de minuscules particules d'eau. La quantité de vapeur contenue dans l'air dépend de sa température : plus la température est élevée, plus l'air peut contenir de vapeur d'eau. À chaque température de l'air correspond donc un certain "seuil de saturation" au-delà duquel cette vapeur passe à l'état liquide : c'est le processus de condensation.



La taille des amas d’eau est variable : de quelques micromètres (vapeur d’eau fine d’un brouillard) à quelques centaines de micromètres (grosses gouttelettes), voire plusieurs millimètres pour les gouttes et grains de glace. Mais outre la diversité des particules, c’est davantage leur concentration qui diffère du reste de l’atmosphère sans nuage. C’est également ce qui les distingue des aérosols.

Afin de caractériser la couverture nuageuse, l’observateur va se référer à deux paramètres : d’une part leur type et d’autre part leur quantité.

1) Les variétés de nuages sont définies à l’aide d’une classification internationale

, qui catégorise les types de nuages d’après leur aspect, leur dimension et altitude. C'est une classification en genres, espèces et variétés correspondant respectivement à leurs formes, structure internes et particularités. Ce moyen permet d’identifier indirectement l’impact qu’ils ont sur le rayonnement solaire. Voici, pour information complémentaire (non utilisée dans la suite de ce travail de thèse), la caractérisation des principaux types de nuages telle que décrite par la classification internationale.



Une autre classification consiste à distinguer dix «genres» de nuages. Les genres se subdivisent en espèces, d'après des considérations de forme, de dimension, de structure et éventuellement, de processus physique de formation. Un nuage déterminé ne peut appartenir simultanément à plusieurs genres ou à plusieurs espèces. Les genres et les espèces se subdivisent éventuellement en variétés, d'après le degré de transparence du nuage ou la disposition de ses éléments visibles. Enfin, les individus nuageux peuvent présenter certaines particularités, ou appendices, tantôt séparées, tantôt attenantes à la partie principale du nuage et qu'on appelle, suivant les cas, particularités supplémentaires ou nuages annexes. Un nuage donné peut présenter simultanément les caractéristiques de plusieurs variétés, il peut aussi présenter à la fois une ou plusieurs particularités supplémentaires, un ou plusieurs nuages annexes.

À l'exception de quelques nuages spéciaux (nuages nacrés, nuages nocturnes lumineux), les nuages sont généralement situés dans la troposphère qui à été divisée en trois étages : supérieur, moyen et inférieur.

2) La quantité de nuages couvrant la voûte céleste est caractérisée par la nébulosité N.

Par définition, elle est égale à la fraction de ciel occupé par une couverture nuageuse visible. Elle est exprimée en «huitième de ciel effectivement visible» et l’unité est appelée «octas». Autrement dit, la nébulosité est l’angle solide dessiné par la couverture nuageuse en prenant comme unité le huitième d’angle solide du ciel visible (c’est-à-dire 2p/8=0,78sr pour un site parfaitement dégagé). La nébulosité varie de N=0 (pas de nuage) à N=8 (ciel totalement couvert). La valeur N=9 peut être définie pour les cas de brouillard, empêchant toute observation.

Pratiquement, la nébulosité est déterminée soit par observation réelle du ciel soit par l’étude d’une photo couvrant la totalité du ciel (objectif fisheye d’une ouverture de 180°) sur laquelle un maillage permet de déterminer la fraction de cases recouvertes de nuages par rapport au nombre de cases définissant la totalité du ciel apparent. L’apparition des appareils et caméras photonumériques a permis un progrès considérable dans la caractérisation des ciels. Concernant la couverture nuageuse, chaque cliché saisit la nature des nuages (appréciation visuelle) mais aussi leur répartition. L’analyse des pixels (via un algorithme sur leur couleur) permet de retrouver ceux qui appartiennent aux nuages et ceux représentant le reste du ciel; la nébulosité devient ainsi un ratio de pixels (éventuellement corrigé selon la projection optique de la lentille de l’objectif utilisé). Plusieurs propositions ont été publiées, citons et plus récemment.



À première vue, nous voyons les nuages précisément car ils sont différents du reste de l’atmosphère, tant par leur couleur que leur capacité à ombrer les rayons directs du soleil.

Leur variabilité, dépendante des vents et courants thermiques, est bien plus importante que la dynamique géométrique du soleil, tant d’un point de vue spatial que temporel. L’irrégularité de leurs formes (par opposition à celle du soleil ou de la voûte céleste) de leurs directions et vitesses de déplacement (toujours par opposition au soleil) en fait un élément à part, agissant sur des échelles qui ne sont plus liées à celle de la géométrie solaire. Ainsi, outre les cas de ciels couverts en totalité, la couverture nuageuse est souvent considérée séparément, comme un filtre sur un ciel bleu à un instant ponctuel. Nous verrons dans la section suivante que leur impact sur le rayonnement énergétique est important : la présence de nuages peut modifier totalement la distribution de lumière disponible au niveau de la surface terrestre et davantage encore la disponibilité d’un point de vue énergétique.