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

1. 1/14
LES NUAGES
Un peu nébuleux?
Pour voler et recharger ses batteries de manière
optimale, Solar Impulse doit jouir d’un bon
ensoleillement. Le givre en haute altitude ou le
passage dans un cumulonimbus pourrait lui être
fatal. Tant l’équipe météo que les pilotes doivent
connaître et prévoir ces facteurs pour éviter les
dangers.
Alors en route pour cette fiche dans laquelle tu
pourras, pour une fois, être dans les nuages avec
l’approbation de ton prof!
Projet: EPFL | dgeo | Solar Impulse
Rédaction: Marie-Noëlle Kaempf
Graphisme: Anne-Sylvie Borter, Repro – Centre d’impression EPFL
Suivi de projet: Yolande Berga

2. 2/14 LES NUAGES
CUMULUS, STRATUS OU CUMULONIMBUS ?
Si tu prends la peine de regarder les nuages, tu seras sans doute émerveillé par la richesse de leurs
formes, de leurs transformations et des jeux de lumière que tu peux observer. Si, depuis longtemps,
les hommes ont compris en observant la formation de la brume qu’il s’agit de la condensation de
l’eau, il a fallu attendre le 19ème
siècle pour qu’une
approche plus scientifique mette de l’ordre dans
ce domaine complexe et poétique ! Luke Howard
(1772 - 1864), le « parrain des nuages », propose
un système de classification qui compte trois fa-
milles principales : les cumulus, les stratus et les
cirrus. Sa nomenclature a du succès car elle peut
s’appliquer aux nuages du monde entier. Faite en
latin, elle traverse ainsi les barrières des langues.
D’autres s’y étaient essayés avant lui, mais en
vain. Ce qui fait la force de son système, c’est qu’il met en évidence la transformation des nuages. En
effet, un nuage évolue et d’un cumulus peut naître un stratocumulus par exemple.
Les nuages sont donc classés selon leur forme, mais aussi selon l’altitude à laquelle se situe leur base.
On peut les classer en dix genres fondamentaux.
A partir de ce jour j’n’ai plus baissé les yeux
J’ai consacré mon temps à contempler les cieux
A regarder passer les nues
A guetter les stratus, à lorgner les nimbus
A faire les yeux doux aux moindres cumulus
Mais elle n’est pas revenue
Extrait de la chanson « L’orage » de Brassens
Cumulonimbus
Élevé
12’000 m
7’000 m
2’000 m
Moyen
Bas
Cirrocumulus
Cirrostratus
Cirrus
Altocumulus Altostratus
Nimbostratus
Stratocumulus
Cumulus Stratus
Les nuages élevés portent le préfixe cirro- ou se nomment cirrus. Les nuages de moyenne altitude
contiennent, eux, le préfixe alto. Les nuages bas sont nommés brouillards lorsqu’ils sont au contact du
sol. Les nuages à développement vertical (cumulonimbus) traversent tous les étages car ils peuvent
compter plusieurs milliers de mètres d’épaisseur ! Les stratus sont des nuages en couches. Les cirrus
présentent un aspect fibreux alors que les cumulus sont bourgeonnants.
Valentin de Bruyn (CC-BY-SA)

3. LES NUAGES 3/14
LA FORMATION DES NUAGES
Mais comment les nuages se forment-ils ? L’air contient de la vapeur d’eau. En fonction de la pres-
sion et de la température, il peut en contenir une plus ou moins grande quantité sans qu’elle ne se
condense. Le point de rosée de l’air est la température à laquelle il faut refroidir un volume d’air, à
pression et humidité constantes, pour qu’il devienne saturé en vapeur d’eau. La condensation survient
lorsque le point de rosée est atteint et que des sites de condensation sont disponibles. C’est-à-dire
que les molécules d’eau sous forme de vapeur vont d’autant mieux se regrouper pour passer en phase
liquide ou solide s’il y a des poussières, des impuretés ou des microgouttelettes disponibles. C’est ce
phénomène qui crée les nuages, la brume, la rosée, la pluie, la grêle ou la neige.
Si l’air chargé d’humidité voit sa température diminuer fortement, la vapeur
qu’il contient se condense, faisant apparaître un nuage. Ces conditions sont
le plus souvent rassemblées dans l’une des trois configurations suivantes :
• Par convection. Grâce à la force d’Archimède, l’air chaud et humide
monte en altitude où il fait plus frais.
• Par soulèvement orographique (nuages de barrage). L’air humide est
entraîné par les vents en haut des flancs d’un massif montagneux.
Versant
au vent
Versant
sous le vent
T1 T2
>T1
• Par soulèvement frontal. Lorsqu’un front chaud arrive dans
une zone d’air froid, l’air chaud s’élève par-dessus la masse
froide. L’air s’élève lentement, formant tout d’abord des cir-
rus, puis des nuages de plus en plus épais de moyenne
altitude, pour finir avec des stratus de basse altitude. Ces
nuages se déchargeront sous forme de pluie. Cette situa-
tion peut durer 24 heures.
Si, au contraire, c’est un front froid qui arrive dans une zone
d’air chaud, ce dernier est rapidement soulevé entraînant
des courants de convection beaucoup plus violents. C’est
dans ces conditions que les cumulonimbus se créent et que
des orages se forment le long du front. Une basse pression
est engendrée, qui entretiendra les vents.
Convection
Soulèvement orographique
Soulèvement frontal
air chaud
air froid
antérieur
FRONT CHAUD
air chaud
FRONT FROID
air froid
postérieur

4. 4/14 LES NUAGES
Collectionne les nuages !
D’ici la fin de l’année scolaire, avec tes camarades de classe, arriveras-tu
à prendre une photo d’un spécimen appartenant à chacun des groupes de
nuages ?
Solar Impulse est un prototype construit aux limites de ce qu’offre de mieux la tech-
nologie. Sa structure a été optimisée pour pouvoir voler jour et nuit à la seule énergie
du Soleil. L’avion est conçu pour voler dans des conditions bien particulières et il faut
s’assurer qu’il ne rencontre pas des vents trop violents ou des précipitations qui en-
dommageraient la structure de l’appareil. Les conditions limites de vol sont :
• Jusqu’à 10 nœuds de vent de face
• Jusqu’à 5 nœuds de vent de travers
Il faut tout particulièrement faire attention
aux vents cisaillants (des vents verticaux
qui se développent sous les cumulus),
qui causeraient des efforts sur les ailes
pouvant endommager l’avion.
Chaque mission est préparée en fonc-
tion de prévisions météorologiques très
détaillées pour s’assurer que le vol se
déroulera dans de bonnes conditions.

5. LES NUAGES 5/14
Quiz
Identifie sur ces photos de quel type de nuages il s’agit.
A
C
E
G
B
D
F
H

6. 6/14 LES NUAGES
LE CUMULONIMBUS, L’ENNEMI JURÉ DE L’AVIATEUR !
Les pilotes craignent les cumulonimbus ; d’autant plus ceux
d’un avion alliant une grande envergure à la légèreté comme
Solar Impulse. Ce sont les nuages des orages et des tempêtes
violentes. Le cumulonimbus est à développement vertical. Sa
base se situe en général à basse altitude et son sommet peut
se développer jusqu’à une hauteur de 6’000 m à 18’000 m, at-
teignant la stratosphère ! Il se forme avec les grands courants
de convection. Lorsque le sol a accumulé beaucoup de chaleur
grâce au rayonnement du Soleil, il réchauffe l’air. L’air chauffé
au contact du sol, dont la densité est inférieure à celle de l’air
de basse altitude, s’élève, créant des courants de convection.
Ce mouvement peut être accentué par la rencontre d’un relief
montagneux. Avec l’altitude, cet air se refroidit et l’humidité se
condense. Cette condensation libère de la chaleur. Cette der-
nière est récupérée par l’air saturé dont la température reste
alors plus élevée que l’air environnant, créant ainsi une aspiration qui renforce les courants de convec-
tion. Ces vents ascendants peuvent atteindre une vitesse de 140 km/h. A la fin de sa formation, le som-
met du cumulonimbus ressemble à une enclume, car il atteint la stratosphère où commence l’inversion
de température.
Sur un petit nuage...
Observe attentivement les nuages ces pro-
chains jours. Tu remarqueras que, si les som-
mets de ceux-ci peuvent être bourgeonnants
ou échevelés, ils sont très réguliers à leurs
bases. En effet, celles-ci sont toutes à la même
altitude.
Plus on monte en altitude, plus l’air se refroi-
dit. On arrive à un moment où la température
devient inférieure au point de rosée. La vapeur
se condense et donne naissance aux nuages
A ton avis, pourquoi la limite supérieure de la
« mer de brouillard » (stratus) sur la photo ci-
contre est-elle aussi nette ?
Versageek (CC-BY-SA)

7. LES NUAGES 7/14
LES HYDROMÉTÉORES
Hydrométéore est le nom générique qui recouvre l’ensemble des particules composées d’eau se trou-
vant dans l’atmosphère. Nous avons vu que la vapeur d’eau en excès dans un nuage se condense. Les
gouttelettes qu’elle forme sont microscopiques, elles mesurent un dixième de mm. Elles sont si légères
qu’un faible courant ascendant les maintient dans les airs. Lorsque leur nombre devient suffisant, le
nuage devient visible.
Dans un cumulonimbus où règnent de forts courants convectifs, les gouttelettes gèlent et grossissent
au fur et à mesure de leur ascension dans le nuage. On obtient alors des grêlons dont la taille peut
dépasser 5 mm de diamètre. Lorsque leur poids ne peut plus être compensé par la force du courant
ascensionnel, les grêlons tombent dans un orage de grêle.
Les cristaux de glace se forment également dans les nuages. Il faut que
le nuage contienne de l’eau en surfusion, ce qui est le cas lorsque la tem-
pérature de l’eau descend doucement en-dessous de 0 °C sans que cette
dernière ne se solidifie. Les poussières en suspension dans l’air servent
de noyau de condensation. Les molécules d’eau s’y fixent pour cristalliser.
Lorsque les cristaux commencent leur chute, ils vont s’agglomérer pour for-
mer des flocons ou même fondre partiellement selon la température de l’air
qu’ils traversent. Si l’air au sol est froid et sec, de magnifiques cristaux individuels parviennent parfois
jusqu’à nous ! La neige, tout comme la pluie, se forme généralement dans les altostratus ou les nim-
bostratus.
Lorsque le temps est humide et que la tempéra-
ture est inférieure à 0 °C, l’eau cristallise, non seu-
lement sur les poussières pour former des cris-
taux, mais aussi contre les objets. On parle alors
de givre. De même qu’un conducteur doit grat-
ter sa voiture le matin, il faut dégivrer les avions.
Le problème particulier des avions est que, s’ils
passent dans un endroit où il y a de l’eau en sur-
fusion, les gouttelettes vont former des couches
de glace sur les ailes. En plus d’alourdir l’avion, la
glace va modifier la forme des ailes et en réduire
la portance. Si les avions sont équipés d’un sys-
tème de dégivrage, ce n’est pas le cas de Solar
Impulse. Il faut donc qu’il évite à tout prix de se trouver dans de pareilles conditions !
Il est intéressant aussi de relever que, lorsque Solar Impulse descend durant la nuit pendant son cycle
de vol, il pourrait très bien couper les moteurs et planer. Or ce n’est pas le cas, même si cela engendre
une faible consommation de l’énergie stockée dans les batteries. Les moteurs continuent de tourner…
pour éviter que, sous l’effet du givre et du froid, les moteurs ne puissent plus repartir au matin. Ce ré-
gime réduit permet de garantir le bon fonctionnement du système dans cet air glacial.

8. 8/14 LES NUAGES
LA FOUDRE
Lors d’un orage, les fortes précipitations, les vents violents ou la grêle peuvent être dangereux pour un
avion. Un autre phénomène peut mettre l’avion dans une situation critique : les charges électriques qui
s’accumulent dans les nuages. La forte tension qui s’établit entre le nuage et la Terre crée un champ
électrique tel qu’il parvient à ioniser l’air et à le rendre conducteur. Ce champ est d’autant plus intense
qu’il est à l’extrémité d’une pointe.
L’air s’ionise sous l’effet de la grande différence de potentiel.
a) Le canal conducteur ainsi formé (traceur) cherche son chemin là où l’air est le meilleur conducteur.
b) En regard de la charge négative de la base du nuage, les électrons du sol sont repoussés. La Terre
présente une portion chargée positivement.
c) Des traceurs ascendants se forment également, en particulier à partir des objets effilés.
d) Lorsque deux traceurs se rencontrent, le circuit est fermé et le nuage peut se décharger.
e) Il peut y avoir plusieurs décharges successives qui permettent aux différentes zones du nuage et du
sol de se neutraliser l’une l’autre.
Traceur
Traceurs
ascendants
Point de
rencontre
Arc en
retour
a)
c)
b)
d) e)

9. LES NUAGES 9/14
Les éclairs ne démarrent pas tous avec un traceur négatif qui se dirige en direction du sol, même si
les éclairs nuage – Terre sont les plus fréquents. Parfois les charges sont inversées ou l’éclair est as-
cendant. Les éclairs les plus abondants sont inter-nuageux ou intra-nuageux. Ils s’établissent entre
les zones des nuages de différentes
polarités. Même si l’on ne voit pas
leurs décharges, elles illuminent les
nuages.
Le flash éblouissant de la foudre
(éclair) provient de l’air ionisé dont
la température peut atteindre plus
de 30’000 °C selon la décharge, soit
plus que la température de surface
du Soleil. Le son, lui, provient de l’air
qui se dilate soudain sous l’effet de
la chaleur, créant une vibration que
nos oreilles perçoivent comme un
bruit gigantesque (tonnerre).
Que faire en cas de foudre ? Eviter avant tout de créer un effet de pointe en se tenant debout à dé-
couvert dans un espace dégagé. Un parapluie métallique accroît le danger. On ne se tiendra pas non
plus sous un arbre, pour éviter de proposer un meilleur conducteur que le tronc et pour ne pas être
assommé par l’arbre s’il est foudroyé.
Voici un site contenant plus de renseignements sur les mesures de sécurité à prendre en cas d’orage :
http://www.apfoudre.com/20recom.htm
Association Protection Foudre, Les 20 recommandations en cas d’orage
Une voiture dont la structure est métallique offre un très bon abri contre la foudre. Elle forme une cage
de Faraday. C’est aussi le cas d’un avion. Les avions se font quand même foudroyer en moyenne une
fois toutes les 1’000 heures de vol. Dans ce cas, le courant électrique ne circule que dans les parois
métalliques et les occupants de l’avion sont protégés. Par contre, le champ magnétique qui en résulte
peut, lui, dérégler ou endommager les appareils de l’avion. C’est pour cette raison qu’ils sont protégés
et qu’il existe des systèmes de secours pour prendre le relais. C’est un motif de plus pour que Solar
Impulse, dont la structure est constituée du moins de métal possible, évite à tout prix les zones de
turbulences où il pourrait y avoir des orages !

10. 10/14 LES NUAGES
Exercice 1
Le son et la lumière se propagent dans l’air à des vitesses différentes. On voit en premier l’événement,
puis on en entend le son. Plus l’écart entre les deux informations est grand, plus l’événement est
éloigné. Pour estimer la distance d’un orage, on a l’habitude de compter le nombre de secondes qui
séparent l’éclair du tonnerre. On évalue la distance à 1 km pour 3 secondes de décalage.
a) J’ai compté 8 secondes entre l’éclair et le tonnerre.
Calcule à quelle distance je me trouve de l’orage.
b) Si l’orage est à 7 km de moi, quel intervalle de temps puis-je mesurer ?
ET TOUT CELA EN CHIFFRES…
Exercice 2
Voici quelques photos de cristaux de neige de Wilson Bentley (1865-1931), le premier photographe
connu de flocons de neige. Quel est le point commun de ces cristaux ?
Exercice 3
Quelles isométries peux-tu identifier sur les flocons de neige. Sont-elles communes à chaque flocon ?

11. LES NUAGES 11/14
Exercice 4
Voici une portion de flocon. À toi de le compléter!
Fais de même sur ce dessin:
Et sans les lignes de support!
centre

12. 12/14 LES NUAGES
Exercice 5
Voici un graphique qui représente le taux d’humidité de l’air en fonction de la température.
Lorsque l’humidité relative est de 100%, l’air contient le maximum de vapeur d’eau qu’il peut absorber
sans qu’elle ne se condense.
30g
humidité relative
humiditéabsolue,engrammesd’eauparkilogrammed’airsec
température de l’air, en degrés Celsius
point de rosée
-10°C 0°C 10°C 20°C 30°C 40°C 50°C
0g
5g
10g
15g
20g
25g
30g
100% 80% 60% 40%
90% 70% 50%
20%
10%
30%
Lacombustionducarburantdanslesréacteursd’unavion
produit principalement du CO2 (gaz carbonique) et de la
vapeur d’eau. En sortant des réacteurs brûlants pour re-
joindre l’air glacial qui règne en haute altitude, la vapeur
se condense immédiatement, pour former selon les cas
des gouttelettes, voire des cristaux de glace. Si l’air est
sec, les traînées se résorbent rapidement, ce qui n’est
pas le cas lorsque l’air est déjà proche de la saturation.

13. LES NUAGES 13/14
Au contraire, dans certaines régions plus arides, l’humidité relative peut descendre en-dessous de
20 % en journée, comme dans le Sahara. L’humidité la plus indiquée pour notre organisme se situe
aux environs de 50 %. On conseille de ne pas dépasser 60 % dans les habitations, pour éviter les
problèmes de moisissures.
Combien de grammes sont-ils contenus par kg d’air en Malaisie si l’humidité relative est de 95 % et
qu’il fait 30 °C en soirée ?
Pendant la journée, j’ai mesuré une humidité absolue de 9 grammes d’eau par kg d’air sec dans
mon appartement où il faisait 25 °C. Quelle était l’humidité relative à ce moment-là ?
Si la température baissait brutalement pendant la nuit, à partir de quelle température aurais-je des
problèmes de condensation ?
d) On estime que la température diminue de 1 °C (cette valeur dépend de l’humidité de l’air) lorsque
l’altitude augmente de 100 m. Si l’humidité relative est de 70 % et qu’on mesure une température de
15 °C au sol, à quelle hauteur au-dessus du sol un stratus va-t-il se former ?
Océan Glacial Arctique
Océan Indien
Océan
Atlantique
Océan
Pacifique
Océan
Pacifique
Équatorial
Tropical Méditerranéen
Mousson Océanique
Chinois
Aride
Continental
Montagnard
Polaire
a) Combien de grammes d’eau sont-ils contenus dans 5 kg d’air lorsqu’il fait 30 °C et une humidité
relative de 30 % ?
b) A quelle température un kilogramme d’air peut-il contenir au maximum 15 g d’eau ?
c) Si tu as eu l’occasion de voyager, tu auras constaté que les pays ont des climats très différents. Les
pays au climat tropical, par exemple, peuvent avoir des étés d’une moiteur éprouvante. L’humidité
dans ces cas-là dépasse 95 %.

14. 14/14 LES NUAGES
POUR ALLER PLUS LOIN…
Exercice 6
Reprenons l’évaluation de la distance à laquelle la foudre tombe. On fait l’approximation qu’un dé-
calage de 3 secondes entre l’éclair et le tonnerre implique que la foudre est tombée à 1 km. Com-
ment trouve-t-on cette valeur ? Sachant que la vitesse du son est de 340 m/s et celle de la lumière de
299’792’460 m/s, calcule la distance qui sépare un observateur de la foudre s’il mesure un décalage
d’exactement trois secondes.
Exercice 7
J’ai pris une douche. De la buée se forme sur le miroir de la salle de bain. Il fait 25 °C dans la pièce.
Quelle est la masse d’eau maximale de vapeur contenue dans la pièce ?
Les dimensions de la salle de bain sont de 2,5 × 3 × 2,5 m.
À 25 °C, la masse volumique de l’air est de 1,17 kg/m3
.
ACTIVITÉ RÉCRÉATIVE
Réalise un flocon de neige en découpant une feuille de papier que tu auras préalablement pliée.