Un nuage est en météorologie une masse visible constituée initialement d'une grande quantité de gouttelettes d’eau (parfois de cristaux de glace associés à des aérosols chimiques ou des minéraux) en suspension dans l’atmosphère au-dessus de la surface d'une planète. L’aspect d'un nuage dépend de sa nature, de sa dimension, de la lumière qu’il reçoit, ainsi que du nombre et de la répartition des particules qui le constituent. Les gouttelettes d’eau d’un nuage proviennent de la condensation de la vapeur d'eau contenue dans l’air. La quantité maximale de vapeur d’eau (gaz invisible) qui peut être contenue dans une masse d'air varie en fonction de la température et de la pression : plus l’air est chaud, plus il peut contenir de vapeur d’eau. À chaque instant, environ 60 % de la troposphère terrestre est nuageuse (voir les articles Pression de vapeur saturante et Formule de Clapeyron). vignette|upright=2|Mur de nuages d'un orage supercellulaire.|alt=Vue d'une formation nuageuse au-dessus d'une plaine. vignette|Stratocumulus perlucidus, vu d'un hublot d'avion.
Histoire des représentations des nuages vignette|Le Voyageur contemplant une mer de nuages de Caspar David Friedrich, 1818. L'histoire des représentations des nuages présente les différentes perceptions des nuages au cours des siècles. Les nuages ont souvent fait partie de présages ou de signes divins dans certaines croyances.
Conception aristotélicienne La majorité des philosophes de l'Antiquité considèrent que les nuages sont issus des exhalaisons humides que dégagent la mer et les cours d'eau.. Ainsi Aristote dans son traité des Météorologiques utilise sa théorie des quatre éléments pour classer les nuages dans les météores aqueux (les hydrométéores). L'explication aristotélicienne repose sur la double exhalaison tellurique provoquée par l'aspiration du soleil : des vapeurs naissent des lieux humides et se concentrent dans l'air pour former les météores humides, des exhalaisons sèches naissent de la terre pour former les météores secs (vents, foudre, tonnerre, météores ignés tels que comètes, étoiles filantes et Voie lactée)..
Au , appelé nue., le nuage est perçu dans une perspective théologique comme la « nuée mystique », c'est-à-dire le voile de Dieu (allant jusqu'à dévoiler le paradis lors d'un éclair). ou selon une perspective plus naturelle (classification selon les couleurs en nuages noirs apportant la pluie selon la métaphore des nimborum naves, , nuages lumineux et blancs s'étant vidé de leur eau, éventuellement en nuages rouges de l'aurore et du crépuscule) mais sa nature est sujette à débat.. La renaissance du voit la diffusion des ouvrages d'Aristote, notamment les Météorologiques dans lesquels il décrit les nuages sans parvenir à expliquer pourquoi ces particules restent en suspension dans l'atmosphèreAristote, « Chapitre 9. De la formation des nages, et du brouillard », dans les Météorologiques : à partir du , les scolastiques et les encyclopédistes envisagent alors le nuage non plus simplement comme un objet dans le ciel mais comme une matière faite d'air, d'eau, voire de feu selon la théorie aristotélicienne des Quatre éléments, tel Barthélemy l'Anglais dans son Livre des propriétés des chosesBarthélemy l'Anglais, « chapitre 11. De aere » dans Liber de proprietatibus rerum, 1240.
Représentation esthétique et sacrée À la fin du Moyen Âge, la littérature qui a jusque-là du mal à saisir le caractère éphémère et mobile du nuage, développe ce thème qui correspond encore plus aux inspirations des siècles suivants (période baroque et romantisme, notamment le Sturm und Drang allemand)Joëlle Ducos « Le nuage entre ciel et terre : le subtil et l'épais » dans En un vergier, Joëlle Ducos, Guy Latry, Marie-Francoise Notz, Presses Universitaires de Bordeaux, 2009, à 66. Néanmoins, le nuage représenté dans les arts reste essentiellement du domaine du sacré jusqu'au (hiérophanie de l'ascension du Christ, visions mystiques)Hubert Damisch, op. cité, .. À partir du et jusqu'à aujourd'hui, les artistes comme Claude Monet, John Constable ou Olafur Eliasson utilisent les observations scientifiques des nuages (notamment à partir de montées en ballons) dans leurs œuvres.. Quant à Charles Baudelaire, il représente les nuages comme la quintessence de la vie d'un étranger dans son poème L'Étranger : .
Avant le , les nuages sont donc avant tout des objets esthétiques. Les savants tentent de les décrire subjectivement mais leur nature trop diverse, complexe et leur fugacité est un obstacle à leur catégorisation bien qu'il y ait eu quelques tentatives pour les utiliser dans les prévisions météorologiques. Jean-Baptiste de Lamarck propose en 1802 la première classification scientifique des nuagesJean-Baptiste de Lamarck, « Sur la forme des nuages », dans Annuaire Météorologique pour l'an XI, Paris, volume 3, . par une liste de termes descriptifs5 catégories en 1802 (nuages en voile, attroupés, pommelés, en zébrures, groupés) puis 13 en 1806. en français, mais c'est le système néphologique de Luke Howard, utilisant le latin universel de la classification binomiale de Carl von Linné, qui connaît le succès dès sa parution en 1803 et dont la terminologie est toujours utilisée aujourd'hui.. En 1855, Émilien Renou. proposa l’ajout des genres Altocumulus et Altostratus. En , cette version élargie de la classification originelle de Howard fut officiellement adoptée et publiée dans le premier Atlas international des nuages de 1896. L’édition actuelle publiée par l’Organisation météorologique mondiale date de 1956 pour le volume I et de 1987 pour le volume II. C’est elle qui fait foi dans les différents services météorologiques nationaux.
Formation et dissipation des nuages
vignette|Un nuage d'orage en formation. La formation de nuages résulte du refroidissement d’un volume d’air jusqu’à la condensation d’une partie de sa vapeur d’eau dont la source est l'évapotranspiration des plantes, l'évaporation de plans d'eau et la sublimation des glaces.. Si le processus de refroidissement se produit au sol (par contact avec une surface froide, par exemple), on assiste à la formation de brouillard. Dans l’atmosphère libre, le refroidissement se produit généralement par soulèvement, mécanique ou thermodynamique, en vertu du comportement des gaz parfaits dans une atmosphère hydrostatique, selon lequel un gaz se refroidit spontanément lorsque la pression baisse de façon adiabatique.. Les nuages peuvent aussi perdre une partie de leur masse sous forme de précipitations, par exemple sous forme de pluie, grêle ou neige.
La condensation de la vapeur d'eau, en eau liquide ou en glace, se produit initialement autour de certains types de microparticules de matière solide (aérosols), qu'on appelle des noyaux de condensation ou de congélation... La formation de ces aérosols a été spécifiquement étudiée par des expériences comme CLOUD du CERN, qui a mis principalement en évidence l'importance des vapeurs organiques. Cette expérience souligna également le rôle potentiellement important des rayons cosmiques galactiques dans le processus complexe de création des nuages.. La congélation spontanée de l'eau liquide en glace, dans une atmosphère très pure, ne se produit pas au-dessus de . Entre , les gouttes d'eau restent dans un état métastable (surfusion), qui cesse dès qu'elles entrent en contact avec un noyau de condensation (poussière, cristal de glace, obstacle). Lorsque ce phénomène se produit au sol, on assiste à des brouillards givrants.
Juste après la condensation ou la congélation, les particules sont encore très petites. Pour des particules de cette taille, les collisions et l’agrégation ne peuvent pas être les facteurs principaux de croissance. Il se produit plutôt un phénomène connu sous le nom de « effet Bergeron ».. Ce mécanisme repose sur le fait que la pression partielle de saturation de la glace est inférieure à celle de l’eau liquide. Ceci signifie que, dans un milieu où coexistent des cristaux de glace et des gouttelettes d’eau surfondue, la vapeur d’eau ambiante se condensera en glace sur les cristaux de glace déjà existants, et que les gouttelettes d’eau s’évaporeront d’autant. On voit ainsi que le soulèvement est doublement important dans la formation de nuages et de précipitations : en premier lieu comme mécanisme de refroidissement, et ensuite comme porteur de gouttelettes d’eau liquide jusqu’au niveau où elles deviennent surfondues.
Le soulèvement peut être dû à la convection atmosphérique, à la présence de terrains montagneux faisant obstacle à l’écoulement de l’air ou à des facteurs de la dynamique atmosphérique, comme les ondes baroclines (aussi appelées « ondes frontales »).
La dissipation des nuages à l'inverse de leur formation se produit lorsque l'air environnant subit un réchauffement et donc un assèchement relatif de son contenu en vapeur d'eau puisqu'un air chaud peut contenir plus de vapeur d'eau qu'un air froid. Ce processus est favorable à l'évaporation, ce qui dissipe les nuages. Le réchauffement de l'air environnant est souvent causé par une subsidence de l'air qui entraîne une compression adiabatique de celui-ci.
Distribution
vignette|Épaisseur optique des nuages en avril 2001. À l'échelle mondiale, il y a plus de nuages le long de la zone de convergence intertropicale qui entoure la Terre près de l'équateur, ainsi qu'à proximité des de latitude dans les hémisphères nord et sud car l'air y suit un mouvement vertical ascendant dans des zones dépressionnaires.. La convergence horizontale de l'air près du sol dans ces zones mène à une accumulation qui est compensée par sa montée en altitude, produisant des nuages par le processus de refroidissement adiabatique.. Ceci est particulièrement vrai dans les zones océaniques où l'humidité est plus importante.
À l'opposé, autour des nord et sud se trouve la région des crêtes subtropicales, et à haute latitude celles des anticyclones arctiques et antarctiques. L'air y suit un mouvement vertical descendant par subsidence qui l'assèche et dissipe les nuages. Se retrouvent dans ces zones des déserts comme le Sahara et l'Atacama qui sont essentiellement sans nuages.
La distribution des nuages varie également selon certains effets topographiques. Par exemple, le flux d'air le long d'une pente montante augmente la production de nuages et de précipitations à cet endroit car l'air est forcé en altitude. À l'inverse, l'air descendant des montagnes par effet de foehn va s'assécher et dissiper les nuages. Ceci donne des régions plus nuageuses que d'autres avec un même système météorologique à grande échelle : les régions côtières sont plus nuageuses que celles en aval des montagnes.
Finalement, selon la stabilité de l'air, des nuages convectifs se forment à certaines saisons et pas à d'autres sur une région donnée.
Types de nuages vignette|Cirrus uncinus au-dessus de la campagne de Ruvo di Puglia, Italie, un nuage stratiforme. Les nuages se forment selon deux processus : la convection et le soulèvement progressif de la masse d'air.
Le soulèvement convectif est dû à l'instabilité de l'air. Il est souvent vigoureux et au déclenchement abrupt. Il produit des nuages caractérisés par une extension verticale élevée, mais une extension horizontale limitée. Ces nuages sont désignés génériquement par le terme « cumulus ». Ils peuvent se développer à différents niveaux de la troposphère, là où l'instabilité existe.
Le soulèvement dit synoptique est le résultat des processus de la dynamique en atmosphère stable, dans un écoulement stratifié. Ce soulèvement est graduel, produisant des systèmes nuageux d'une texture uniforme, pouvant couvrir des milliers de kilomètres carrés. Ces nuages sont désignés génériquement par le terme « stratus ». Il arrive parfois que ce soulèvement graduel déstabilise la couche atmosphérique, donnant lieu à des nuages convectifs imbriqués dans le nuage stratiforme.
Classification troposphérique