Solar Impulse: around the world without fuel to promote clean technologies.

1. 1/9
Projet : EPFL | dgeo | Solar Impulse
Rédaction : Marie-Noëlle Kaempf
Graphisme : Anne-Sylvie Borter, Repro – Centre d’impression EPFL
Suivi de projet : Yolande Berga
LES NUAGES
Un peu nébuleux ?
Cette fiche offre la possibilité aux élèves d’apprendre
à connaître les différents types de nuages, leur
formation et les phénomènes météo qui les
accompagnent. Elle est interdisciplinaire. Le thème
des nuages peut être abordé tant dans un cours
de géographie que dans le cadre des sciences. Si
les exercices proposés portent essentiellement
sur les nuages, une activité de mathématiques et
des exercices de géométrie autour du thème des
flocons en font un document utile pour l’OCOM
mathématiques ou pour les mathématiques de base.
La fiche « LA MÉTÉO » lui est complémentaire. Elle
présente les grands courants atmosphériques,
les systèmes formés par les hautes et les basses
pressions, les vents et les prévisions météo. La
construction d’appareils de mesures météo est
également proposée.

2. Notions abordées
Physique :
• Changement de phases
• Transformation de l’énergie
• Pression
• Foudre et électricité
Sciences :
• Cycle de l’eau
• Météorologie et nuages
Mathématiques :
• Constructions géométriques
• Isométries
Objectifs d’apprentissage du PER
MSN 36 - 35. Analyser des phénomènes natu-
rels et des technologies à l’aide de démarches
caractéristiques des sciences expérimentales :
• en acquérant les connaissances nécessaires
en physique et en chimie.
MEP 33 - 31, MSN 35. Modéliser des situations,
poser et résoudre des problèmes mobilisant
des notions, des concepts, des raisonnements
propres à la physique.
MSN 31 - 35. Poser et résoudre des problèmes
pour modéliser le plan et l’espace :
• en utilisant des propriétés des figures et leur
décomposition en figures élémentaires pour
les construire et les reproduire.
• en mobilisant des systèmes de repérages.
• en utilisant les instruments ou les logiciels
appropriés.
• en mobilisant des transformations géomé-
triques.
SHS 31. Analyser des espaces géographiques et
les relations établies entre les hommes et entre
les sociétés à travers ceux-ci :
• en utilisant les données permettant de déter-
miner les caractéristiques climatiques, hydro-
logiques et le relief d’un espace.
Disciplines et options concernées
Sciences : 9e
à 11e
OCOM - Sciences * : 9e
à 11e
OCOM - Mathématiques * : 9e
à 11e
Les exercices 6 et 7 sont un peu plus difficiles.
Durée de l’activité
Thème des nuages – présentation et
exercices : 3 périodes
Thème des hydrométéores, foudre et flocons
– présentation et exercices : 3 périodes
Activité découpage : 1 période
* Disciplines spécifiques à la scolarité vaudoise
OCOM : options de compétences orientées métiers
OS MEP : option spécifique mathématiques et physique

3. LES NUAGES - GUIDE 3/9
Collectionne les nuages !
C’est un défi de longue haleine qui est proposé à la classe. Vous pouvez l’assouplir en
utilisant la recherche de photos sur internet. De nombreux sites donnent des exemples
de chaque type de nuages. Cependant, ce défi peut être intéressant car il encourage les
enfants à regarder autour d’eux. Au fil des saisons, des différentes conditions météorolo-
giques et des lieux (camps de ski, vacances), ils pourront rassembler les éléments de la
collection.
En attendant, vous trouverez dans le quiz quelques photos à classer.
CUMULUS, STRATUS OU CUMULONIMBUS ?
Par leur diversité, leur légèreté, leurs formes mystérieuses et leurs effets ravageurs, les nuages ont
toujours fasciné. La classification des nuages s’est heurtée pendant des siècles à l’obstacle suivant :
les nuages changent de forme de manière continuelle, ils croissent, s’étalent, s’étirent, se dissipent…
La force de Luke Howard a été de tenir compte avant tout de leur forme de base et des mécanismes
de transition qui contrôlent le passage d’une forme à l’autre.
Actuellement, les météorologues ont répertorié dix familles de nuages comportant 27 variétés que les
aviateurs doivent connaître pour décrypter les prévisions météo !
LA FORMATION DES NUAGES
La fiche élève présente la description du mécanisme général de la formation d’un nuage. Selon les cas,
la condensation et le refroidissement vont être causés par différents facteurs. De même, la présence
ou l’absence de mouvements des masses d’air durant la formation des nuages va favoriser et modifier
leur développement et leur forme.
L’exercice 5 utilise l’application d’un graphique avec la courbe du point de rosée. Il permet de mieux
comprendre le phénomène de saturation. A l’aide d’un modèle simplifié et de la lecture du graphique,
l’élève sera capable de calculer l’altitude du bas d’un stratus.
A noter qu’il existe un joli site de météo France sur lequel se trouvent des dossiers météo, dont un sur
les nuages avec de belles illustrations :
http://comprendre.meteofrance.com/pedagogique/dossiers
météofrance, les dossiers, nuages
Au cas où l’on ne présenterait pas aux élèves les systèmes météorologiques formés par les hautes et
les basses pressions ni les prévisions à l’aide de la fiche LA MÉTÉO, il est conseillé, avant ou après
cette fiche, de présenter la vidéo de 26 minutes suivante qui leur donnera une bonne vue d’ensemble
du sujet :
http://www.youtube.com/watch?v=ldlhPV5uOjk
C’est pas sorcier, Météo - Le bulletin des sorciers

4. 4/9 LES NUAGES - GUIDE
LE CUMULONIMBUS, L’ENNEMI JURÉ DE L’AVIATEUR !
Voici quelques liens avec des vidéos qui expliquent simplement le principe de formation des nuages
et des orages en particulier :
http://www.meteo-world.com/dossiers/dossier3.php
Météo World, Condition de formation d’un orage
http://www.youtube.com/watch?v=k6O-RG6rW0Q
C’est pas sorcier, Orages : les sorciers ont le coup de foudre
Sur un petit nuage...
Lorsqu’il y a une baisse de température, c’est-à-dire une perte d’énergie,
l’air humide atteint la saturation en vapeur d’eau. Cette dernière va donc
passer en phase solide ou liquide et se condenser.
Lorsqu’il y a une mer de brouillard, la plaine, sous les nuages, est à une
température inférieure à celle qui règne en montagne, au soleil, au-dessus
des nuages. On parle alors d’inversion de la température. Si le bas du stra-
tus n’est pas net, avec des bancs déchiquetés, c’est que la condensation
se forme au gré des étendues humides, de manière non uniforme dans le
froid ambiant. Par contre, au-dessus du stratus, il fait plus chaud. Là, à une
altitude fixe, la température qui règne est homogène et est supérieure au
point de rosée. L’eau s’y transforme à nouveau en gaz et s’intègre à l’air.
Lors de jours suffisamment ensoleillés et chauds, le stratus pourra se dis-
siper pendant la journée.
Quiz A. Cumulus congestus *
C. Cumulus fractus **
E. Altocumulus
G. Altostratus
Pour déterminer le type de nuages, il faut essayer d’évaluer la hauteur de la base des nuages. Ce n’est
pas un exercice facile mais, en Suisse, nous avons le Jura et les Alpes qui peuvent nous donner des
points de repère.
B. Stratus (brouillard)
D. Cumulus congestus *
F. Cirrus
H. Cirrostratus
* Cumulus qui se développent
en cumulonimbus
** Cumulus qui se résorbent

5. LES NUAGES - GUIDE 5/9
LES HYDROMÉTÉORES
Le givre est un élément qui peut être fatal à un avion. Une séquence vidéo de quelques minutes d’un
flash d’information développe ce sujet :
http://www.ina.fr/video/3922392001036
ina.fr, Crash de l’airbus A330 : la piste du givre
Voici un autre documentaire sur la météo et l’aviation (~ 45 min). Il souligne bien la démarche d’une
recherche scientifique ainsi que l’application de ses fruits à la vie pratique :
http://www.youtube.com/watch?v=_qWkd5Wr20c
Arte, Orage et sécurité aéronautique
LA FOUDRE
Dans la fiche élève, on n’aborde pas l’origine de l’accumulation de charges négatives ou positives dans
les différentes zones du nuage. En l’état actuel des recherches, plusieurs théories s’affrontent. La plus
ancienne fait intervenir les chocs des particules de glace et des gouttelettes d’eau au sein du nuage.
Les premières sont chargées négativement et les secondes, chargées positivement, rejoignent le haut
du nuage par convection. Quelle que soit l’origine de la séparation des charges, ce qui est sûr, c’est
que cette énergie potentielle électrique stockée dans l’atmosphère a comme origine l’énergie du Soleil.
Voici un lien vers une vidéo avec des conseils de sécurité en cas d’orage :
http://www.wat.tv/video/voiture-sol-plastique-voici-6d8qp_2i6xp_.html
Wat, Voiture, sol, plastique... Voici comment se protéger des orages
Pour prolonger ce thème, on peut évidemment développer la notion d’électricité statique. C’est un
chapitre pour lequel on trouve facilement du matériel en salle de sciences. C’est l’occasion de l’utiliser !
Voici un lien vers une vidéo qui montre une expérience avec la cage de Faraday :
http://video.mit.edu/watch/faradays-cage-3625/
MIT video, Faraday’s Cage
On peut également parler des recherches de Benjamin Franklin sur la foudre et son invention, le para-
tonnerre : http://www.rtbf.be/lapremiere/article_invention-le-paratonnerre?id=7396773
rtbf, Invention : le paratonnerre
Bibliographie
Un ouvrage très complet et illustré répertoriant les différents types de nuages :
Richard Hamblyn, Nuages : le guide d’identification, Delachaud et Niestlé
Un ouvrage généraliste très complet :
Pierre Kohler, Comprendre la météorologie, Hachette

6. 6/9 LES NUAGES - GUIDE
ET TOUT CELA EN CHIFFRES...
Exercice 1
a) Un décalage de 1 seconde correspond à une distance de: 1/3 = 0,3km
La distance correspondant à un décalage de 8 secondes est donc de: 0,3∙8 = 2,6km
b) Chaque km créant un décalage de 3 secondes, il sera de 3∙7 = 21secondes.
Exercice 2
Les élèves devraient remarquer la symétrie des cristaux et constater qu’elle est hexagonale.
Le début de l’observation des cristaux remonte à Kepler (1571-1630). Il écrit un traité «nix sexangula». Il
y relève leur symétrie hexagonale. Cette recherche est poursuivie par Descartes, puis par Hooke qui pu-
blie des dessins d’observation faits grâce à son microscope. Mais il faut relever l’œuvre de Wilson Bent-
ley qui bricole un dispositif qui lui permet, au début de l’ère de la photographie en 1885, de photographier
un flocon. Il photographiera plus de 5’000 flocons, dont ceux qui servent de support à cet exercice.
Actuellement, les scientifiques font croître des cristaux en laboratoire. On peut ainsi tester les para-
mètres qui influent sur leurs formes. Cela permet ensuite de mieux prévoir comment ils peuvent s’ag-
glomérer les uns aux autres, se transformer et, à terme, donner des couches de neige plus ou moins
solides qui pourront aboutir à des avalanches par exemple.
Pour comprendre comment l’eau cristallise selon une structure hexagonale,
on utilise la formule de Lewis et la géométrie de la molécule d’eau.
La structure de Lewis consiste à représenter la localisation des électrons les
plus externes de l’atome, électrons de valence, sur ou entre les atomes de
la molécule. Dans cette représentation, les électrons célibataires sont notés
par des points et les paires d’électrons par des traits. Les paires peuvent être
localisées sur un atome, doublets libres ou non-liants, ou entre les atomes,
doublets liants formant des liaisons covalentes. L’eau (H2O) est constituée
d’un atome d’oxygène lié à deux atomes d’hydrogène.
Ici, l’oxygène est entouré de 4 paires d’électrons: 2 paires liantes et 2 paires non-liantes. Comme les
électrons se repoussent, ils vont chercher à s’éloigner le plus possible les uns des autres. C’est pour
cela qu’ils se disposent comme sur les sommets d’un tétraèdre dont l’atome d’oxygène est le centre.
C’est pourquoi la molécule d’eau forme un «coude» de 104°.
O
H H
doublets non-liants
doublets liants
Les doublets non-liants prennent plus
de place que les doublets liants, c’est
pourquoi l’angle entre les liaisons est
de 104° et non de 109° comme l’angle
au centre d’un tétraèdre.
O
H
H
104°
O
H H104°

7. LES NUAGES - GUIDE 7/9
liaisons hydrogènes
molécules d’eau
Exercice 3
On peut recenser trois types d’isométries sur un flocon (en faisant abstrac-
tion de ses imperfections):
• Une symétrie centrale dont le centre est au milieu du flocon .
• 6 symétries axiales dont les axes se coupent au milieu du flocon
en formant des angles de 30°.
• Des rotations dont le centre est situé au milieu du flocon .
Ce sont des rotations de 60° et de ses multiples.
Exercice 4
Les liaisons hyrogènes
sont générées par les inte-
ractions entre les dipôles
des molécules voisines.
Les flocons croissent donc sur la base d’un hexagone, ce qui engendre les six branches. Pourquoi
ses branches sont-elles symétriques? A l’heure actuelle, le mystère reste entier… Une première piste
est qu’elles croissent dans les mêmes conditions de pression et de température, donc développent la
même forme. Une seconde est que la croissance serait coordonnée par un mécanisme interne comme
le champ magnétique.
De plus, les électrons des doublets liants ne sont
pas uniformément répartis entre les atomes. Il y
a une petite charge négative sur l’oxygène car il
attire davantage les électrons. Une petite charge
positive se crée donc sur les deux atomes d’hy-
drogène. La molécule d’eau a ainsi deux charges
de valeurs opposées très proches l’une de l’autre.
On dit que la molécule présente un dipôle. Ce
dipôle crée des forces électriques entre des molé-
cules d’eau voisines. C’est pour cette raison que
les molécules s’assemblent en hexagone lorsque
l’eau cristallise.
Prolongement: On peut envisager de dessiner des flocons sur un logiciel de géométrie dynamique.
L’utilisation des éléments de symétrie peut permettre de construire simultanément les 6 branches du
flocon et de pouvoir le remodeler à volonté.

8. 8/9 LES NUAGES - GUIDE
POUR ALLER PLUS LOIN…
Exercice 6
Soit x, la distance entre la foudre et l’observateur correspondant à un décalage de 3 secondes entre
l’observation de l’éclair et du tonnerre.
= 3 . 5'096'471'820
: 14'989'606
–
x x
340 299'792'460
14'989'623 x – 17 x = 15'289'415'460
14'989'606 x = 15'289'415'460
x = 1’020 m
Exercice 5
Dans cet exercice, nous avons simplifié le modèle à l’extrême. Lorsque l’on veut prévoir la formation
des nuages en se calquant au plus près sur la réalité, il faut aussi tenir compte de la pression de l’air.
Celle-ci varie selon les hautes et les basses pressions, mais également selon l’altitude. La courbe de
cet exercice est faite à pression constante.
a) En lisant le graphique, on constate qu’il y a environ 8 g d’eau dans 1 kg d’air sec à 30 °C lorsque
l’humidité relative est de 30 %.
Il y aura donc 8 ∙ 5 = 40 g d’eau dans 5 kg d’air.
b) Selon le graphique, on lit que la température est inférieure à 21 °C environ.
c) En Malaisie, il y aura environ 26 g d’eau par kg d’air.
Pendant la journée, il y avait une humidité relative de 45 % environ.
Pendant la nuit, pour la même humidité absolue, on passe e-dessous du point de rosée pour une
température inférieure à 13 °C environ.
d) Le point de rosée est atteint d’après le graphique à une température de 10 °C pour une humidité
de 70 %. Il faut donc monter de 500 m pour que la température descende de 5 °C et rencontrer le
stratus.
C’est pour cela qu’on a une très bonne approximation de l’éloignement en km d’un éclair en divisant
par 3 le nombre de secondes de délai entre l’éclair et le tonnerre.

9. LES NUAGES - GUIDE 9/9
ACTIVITÉ RÉCRÉATIVE
Cette activité comporte une phase de recherche. En effet, il faut que les élèves déterminent le pliage
adéquat pour donner à leur découpage une symétrie hexagonale. Un pliage efficace consiste à plier
la feuille en deux, puis à rabattre la feuille en trois. Les plis extérieurs forment un angle de 60°. On plie
encore en deux. Découper les bords pour ne conserver que le pliage où il y a douze épaisseurs.
Et maintenant, il ne reste plus qu’à mobiliser sa créativité.
Exercice 7
Le volume d’air de la salle de bain vaut : 2,5 ∙ 3 ∙ 2,5 = 18,75 m3
La masse d’air correspondante est de : ρ ∙ V = 1,17 ∙ 18,75 ≈ 21,94 kg
Comme il y a de la vapeur sur le miroir de la salle de bain, nous sommes au point de rosée, l’humidité
relative est de 100 %.
Selon le graphique de l’exercice 5, il y a environ 20 g d’eau par kg d’air.
Il y a donc 21,94 ∙ 20 ≈ 440 g de vapeur dans l’air de la pièce.
Pour simplifier l’activité, on peut montrer comment effectuer le pliage.
Pour corser l’exercice, on peut également donner aux élèves un modèle de flocon et leur demander
d’en découper un identique. Ils pourraient observer et prendre des mesures sur le modèle déplié.