Enfants curieux: Comment les nuages restent-ils dans le ciel?

La conversation demande aux enfants d’envoyer des questions auxquelles un expert devrait répondre. Samson de Londres veut savoir comment les nuages restent dans le ciel. Un expert en sciences de l’atmosphère explique.

Merci pour la question, Samson. Croyez-le ou non, j’ai déjà pesé un nuage et peu de gens peuvent dire qu’ils l’ont fait! Mes amis scientifiques et moi avons volé dans le ciel dans un dirigeable géant et avons traversé un nuage blanc et moelleux. En fait, c’était très humide là-haut, parce que les nuages sont composés de milliards de minuscules gouttelettes d’eau.

Lorsque nous avons survolé le nuage, nous avons utilisé des lasers et d’autres dispositifs scientifiques spéciaux pour mesurer la taille du nuage et compter le nombre de minuscules gouttelettes d’eau qu’il contenait. Ensuite, nous avons fait quelques calculs et avons constaté que ce nuage – qui était en fait assez petit, pour un nuage – pesait quatre tonnes. C’est la même chose que deux éléphants! Vous avez donc raison de vous demander comment une chose aussi lourde peut rester dans le ciel.

Il y a trois pièces à ce puzzle, et la première est la gravité. Comme tout sur cette planète, les minuscules gouttelettes qui composent un nuage sont attirées vers la Terre par gravité. Mais ces gouttelettes sont si petites qu’il leur est difficile de dépasser tout l’air sous elles. Cela signifie qu’ils ne tombent pas du tout très vite – en fait, seulement environ un centimètre par seconde. Et tout vent soufflant vers le haut peut ramener les gouttelettes vers le haut.

Pour s’adapter à la deuxième pièce du puzzle, nous devrons apprendre une chimie appropriée; pas trop, cependant, juste assez pour notre histoire. Permettez-moi de vous présenter le tableau périodique: une carte de tous les éléments que nous, les humains, connaissons. Les éléments sont les éléments constitutifs de toutes choses, tout comme les plus petits morceaux de Lego, que vous utilisez pour construire des objets plus grands et plus complexes.

Le tableau périodique est organisé de telle sorte que l’élément le plus léger de chaque ligne soit toujours à gauche. L’hydrogène est le plus léger de tous les éléments, vous le trouverez donc en haut à gauche. Au fur et à mesure que vous vous déplacez le long de chaque rangée de gauche à droite, les éléments deviennent de plus en plus lourds.

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L’air sec est principalement composé de deux gaz, l’azote et l’oxygène, plus un peu d’argon et de petites quantités d’autres gaz. Pour l’instant, nous pouvons nous concentrer uniquement sur l’azote et l’oxygène. Comme vous pouvez le voir sur le tableau périodique, le poids d’un seul atome d’azote est de 14, tandis que l’oxygène pèse près de 16.

Mais ni les atomes d’azote ni d’oxygène n’aiment être seuls, ils vont donc presque toujours par paires – deux atomes dans une molécule, comme deux pois dans une gousse. Pour cette raison, une molécule d’azote pèse généralement 28 et une molécule d’oxygène pèse 32.

Dès que nous ajoutons de l’eau (H₂O) à l’air, les choses deviennent intéressantes. Une molécule d’eau est composée de deux atomes d’hydrogène et d’un atome d’oxygène. Rappelez-vous comment l’hydrogène est l’élément le plus léger? Eh bien, une seule molécule d’eau ne pèse que 18. C’est donc plus léger qu’une molécule d’azote ou d’oxygène. C’est pourquoi l’air humide est plus léger que l’air sec.

La pièce suivante du puzzle est la température. En règle générale, l’air chaud monte, tandis que l’air froid descend. Lorsque l’eau dans l’air est plus chaude, il est plus probable qu’il s’agisse d’un gaz. Lorsqu’il fait plus frais, il préfère prendre une forme liquide, telle que des gouttelettes de nuages, de la pluie, de la grêle ou de la neige.

À mesure que l’air chaud et humide monte, il devient de plus en plus frais. Et en refroidissant, de plus petites gouttelettes d’eau se forment. Vous pourriez vous attendre à ce que les gouttelettes d’eau tombent sous forme de pluie, mais au lieu de cela, quelque chose d’amusant se produit. Vous savez comment la sueur refroidit notre peau lorsqu’elle sèche et passe du liquide au gaz? Eh bien, lorsque le gaz se transforme en liquide, c’est exactement le contraire qui se produit: il dégage de la chaleur.

Cela signifie que les gouttelettes de nuages sont maintenant entourées d’une minuscule couverture d’air chaud. Et que fait l’air chaud? Ça se lève ! Pas très loin, cependant, car l’air se refroidira à nouveau à mesure qu’il montera.

Maintenant, notre puzzle est terminé: les nuages sont constitués de minuscules gouttelettes d’eau, qui ne sont guère affectées par la gravité, noyées dans de l’air humide, plus léger que l’air sec. Et ils sont entourés de minuscules couvertures chaudes d’air, qui les soulèvent vers le ciel. C’est ainsi que des nuages pesant des milliards de tonnes peuvent rester à flot dans le ciel.

Bonjour les enfants curieux! Si vous avez une question à laquelle un expert doit répondre, demandez à un adulte de l’envoyer à [email protected] . Assurez-vous qu’ils incluent votre nom, votre âge (et, si vous le souhaitez, dans quelle ville vous vivez). Toutes les questions sont les bienvenues – sérieuses, bizarres ou loufoques!

Jim McQuaid, Professeur agrégé de Composition atmosphérique, Université de Leeds. Cet article a été initialement publié sur The Conversation. Lisez l’article original.
Image 1: windy_sydney/Flickr, CC BY-NC