Séminaire IUSTI – 7 juil. 2023 – 11h salle 250

Stabilité des brumes et des nuages et taille des gouttes de pluie

Bruno Andreotti – LPENS, Paris

Après une introduction sur le rôle des nuages aux différentes échelles, dans la bascule climatique que subit la planète, je discuterai de la micro-physique des nuages à partir de deux (vieilles) questions: (i) pourquoi les brouillards et la plupart des nuages sont ils relativement stables, au sens où ils ne produisent pas de pluie; (accessoirement, pourquoi les nuages ne tombent-ils pas?) (ii) la distribution de la taille des gouttes de pluie suit une forme particulièrement simple, mesurée au siècle dernier (Marshall & Palmer, 1948): elle présente une distribution d’aile exponentielle, dont la taille caractéristique croit avec l’intensité de la pluie. Pourquoi les gouttes de pluie sont-elles d’autant plus grosses qu’il pleut fort? Je développerai une théorie de la coalescence de goutte, qui s’inspire du concept de cascade d’énergie à travers les échelles de la turbulence en l’adaptant à la distribution de la masse des gouttes. Elle conduit à une distribution stationnaire de gouttes de “pluie” lorsque la vapeur d’eau est injectée à taux constant, en résolvant la condition d’un flux de masse d’eau constant à travers les échelles. Je discuterai des mesures expérimentales sur la pluie à la lumière de ces résultats. Un aspect clé du modèle est la section efficace de collision des gouttes qui sédimentent : les grosses gouttes tombent plus vite que les petites et coalescent avec elles sur leur chemin. En effet, plusieurs mécanismes influent sur la coalescence de goutte: (a) la pression de lubrification due au film d’air piégé entre les gouttes, qui diverge rapidement comme l’inverse de la séparation et doit être régularisée, soit par le libre parcours moyen, soit par l’induction d’un écoulement dans la goutte; (b) l’attraction électrostatique; (c) la diffusion thermique. Je discuterai également du rôle in fine peu probable de la turbulence. Il apparait que la lubrification entre gouttes est responsable de la diminution de l’efficacité de collision à l’échelle pour laquelle l’inertie et la dissipation visqueuse sont d’amplitude comparable, expliquant la stabilité des brumes et des nuages non pluvieux. Je conclurai sur la nécessité d’améliorer la description de la microphysique des nuages dans les simulations atmosphériques.