‘Nobody knew why this was happening’: Scientists race to understand baffling behavior of ‘clumping clouds’
Caroline Muller voit les nuages différemment de la plupart des gens. Là où d’autres peuvent voir des guimauves gonflées, de la barbe à papa vaporeuse ou des objets gris tonitruants prendre d’assaut leur tête, Muller voit des fluides couler dans le ciel. Elle visualise comment l’air monte et descend, se réchauffe et se refroidit, et forme des spirales et des tourbillons pour former des nuages et créer des tempêtes.
Mais l’urgence avec laquelle Müller, climatologue à l’Institut des sciences et technologies d’Autriche à Klosterneuburg, envisage de telles énigmes atmosphériques, s’est accrue ces dernières années. Alors que notre planète s’étouffe sous le réchauffement climatique, les tempêtes deviennent plus intenses, déversant parfois deux, voire trois fois plus de pluie que prévu. Ce fut le cas à Bahía Blanca, en Argentine, en mars 2025 : près de la moitié des précipitations annuelles moyennes de la ville sont tombées en moins de 12 heures, provoquant des inondations meurtrières.
Les spécialistes de l’atmosphère utilisent depuis longtemps des simulations informatiques pour suivre la manière dont la dynamique de l’air et de l’humidité pourrait produire diverses tempêtes. Mais les modèles existants n’expliquaient pas pleinement l’émergence de ces tempêtes plus violentes. Une théorie vieille d’environ 200 ans décrit comment l’air plus chaud retient plus d’humidité que l’air plus froid : 7 % de plus pour chaque degré Celsius de réchauffement. Mais dans les modèles et les observations météorologiques, les climatologues ont constaté des précipitations bien supérieures à cette augmentation attendue. Et ces tempêtes peuvent provoquer de graves inondations lorsque de fortes pluies tombent sur des sols déjà saturés ou font suite à des vagues de chaleur humides.
Les nuages, et la façon dont ils se regroupent, pourraient aider à expliquer ce qui se passe.
Un nombre croissant de recherches, lancées par Muller il y a plus de dix ans, révèlent plusieurs processus à petite échelle que les modèles climatiques avaient auparavant négligés. Ces processus influencent la façon dont les nuages se forment, se rassemblent et persistent de manière à amplifier les fortes averses et à alimenter des tempêtes plus importantes et plus durables. Les nuages ont une « vie interne », dit Muller, « qui peut les renforcer ou les aider à rester en vie plus longtemps ».
D’autres scientifiques ont besoin d’être plus convaincants, car les simulations informatiques utilisées par les chercheurs pour étudier les nuages réduisent la planète Terre à sa forme la plus simple et la plus lisse, conservant sa physique essentielle mais ressemblant à peine au monde réel.
Mais maintenant, une compréhension plus profonde s’impose. Des modèles climatiques mondiaux à plus haute résolution peuvent enfin simuler les nuages et les tempêtes destructrices qu’ils forment à l’échelle planétaire, donnant ainsi aux scientifiques une image plus réaliste. En comprenant mieux les nuages, les chercheurs espèrent améliorer leurs prévisions des précipitations extrêmes, en particulier sous les tropiques, où frappent certains des orages les plus violents et où les projections de précipitations futures sont les plus incertaines.
Premiers indices sur des nuages agglutinés
Tous les nuages se forment dans l’air humide et ascendant. Une montagne peut propulser l’air vers le haut ; un front froid aussi. Les nuages peuvent également se former par un processus appelé convection : le renversement de l’air dans l’atmosphère qui commence lorsque la lumière du soleil, la terre chaude ou l’eau douce réchauffent l’air d’en bas. À mesure que l’air chaud monte, il se refroidit, condensant la vapeur d’eau qu’il transporte vers le haut en gouttes de pluie. Ce processus de condensation libère également de la chaleur, qui alimente les tempêtes.
Mais les nuages restent l’un des maillons faibles des modèles climatiques. En effet, les modèles climatiques mondiaux utilisés par les scientifiques pour simuler des scénarios de réchauffement futur sont beaucoup trop grossiers pour capturer les courants ascendants qui donnent naissance aux nuages ou pour décrire la façon dont ils tourbillonnent lors d’une tempête – et encore moins pour expliquer les processus microphysiques contrôlant la quantité de pluie qui en tombe sur la Terre.
Pour tenter de résoudre ce problème, Muller et d’autres scientifiques partageant les mêmes idées se sont tournés vers des simulations plus simples du climat terrestre, capables de modéliser la convection. Dans ces mondes artificiels, chacun ayant la forme d’une boîte peu profonde de quelques centaines de kilomètres de diamètre et de dizaines de kilomètres de profondeur, les chercheurs ont bricolé des répliques d’atmosphères pour voir s’ils pouvaient comprendre comment les nuages se comportaient dans différentes conditions.
Curieusement, lorsque les chercheurs ont exécuté ces modèles, les nuages se sont spontanément regroupés, même si les modèles ne présentaient aucune des caractéristiques qui rapprochent habituellement les nuages : pas de montagnes, pas de vent, pas de rotation terrestre ou de variations saisonnières de la lumière du soleil. “Personne ne savait pourquoi cela se produisait”, explique Daniel Hernández Deckers, spécialiste de l’atmosphère à l’Université nationale de Colombie à Bogotá.
En 2012, Muller découvre un premier indice : un processus connu sous le nom de refroidissement radiatif. La chaleur du Soleil qui rebondit sur la surface de la Terre est renvoyée dans l’espace, et là où il y a peu de nuages, une plus grande partie de ce rayonnement s’échappe, refroidissant ainsi l’air. Les points frais créent des flux atmosphériques qui poussent l’air vers des régions plus nuageuses, emprisonnant plus de chaleur et formant plus de nuages. Une étude de suivi réalisée en 2018 a montré que dans ces simulations, le refroidissement radiatif accélérait la formation de cyclones tropicaux. “Cela nous a fait comprendre que pour comprendre les nuages, il faut également regarder le voisinage, à l’extérieur des nuages”, explique Muller.
Une fois que les scientifiques ont commencé à regarder non seulement à l’extérieur des nuages, mais également au-dessous et à leurs bords, ils ont découvert d’autres processus à petite échelle qui contribuent à expliquer pourquoi les nuages se rassemblent. Les différents processus, décrits par Muller et ses collègues dans la revue annuelle de la mécanique des fluides, rassemblent ou retiennent tous des poches d’air chaud et humide, de sorte que davantage de nuages se forment dans des régions déjà nuageuses. Ces processus à petite échelle n’avaient pas été bien compris auparavant car ils sont souvent obscurcis par des conditions météorologiques plus vastes.
Hernández Deckers a étudié l’un de ces processus, appelé entraînement – le mélange turbulent de l’air aux bords des nuages. La plupart des modèles climatiques représentent les nuages comme un panache d’air ascendant, mais en réalité « les nuages sont comme un chou-fleur », dit-il. “Vous avez beaucoup de turbulences et vous avez ces bulles [of air] à l’intérieur des nuages. Ce mélange sur les bords affecte la façon dont les nuages évoluent et les orages se développent ; il peut affaiblir ou renforcer les tempêtes de diverses manières, mais, comme le refroidissement radiatif, il encourage davantage de nuages à se former sous forme de touffes dans les régions déjà humides.
De tels processus sont susceptibles d’être plus importants lors des tempêtes dans les régions tropicales de la Terre, où les précipitations futures sont les plus incertaines. (C’est pourquoi Hernández Deckers, Muller et d’autres ont tendance à y concentrer leurs études.) Les tropiques manquent de fronts froids, de courants-jets et de systèmes à haute et basse pression en spirale qui dominent les flux d’air aux latitudes plus élevées.
Fortes pluies suralimentées
Il existe d’autres processus microscopiques qui se produisent à l’intérieur des nuages et qui affectent les précipitations extrêmes, en particulier sur des échelles de temps plus courtes. L’humidité est importante : les gouttelettes condensées tombant dans l’air humide et nuageux ne s’évaporent pas autant lors de leur descente, donc plus d’eau tombe sur le sol. La température compte également : lorsque des nuages se forment dans des atmosphères plus chaudes, ils produisent moins de neige et plus de pluie. Comme les gouttes de pluie tombent plus vite que les flocons de neige, elles s’évaporent moins lors de leur descente, produisant ainsi encore plus de pluie.
Ces facteurs contribuent également à expliquer pourquoi un nuage peut éloigner davantage de pluie que l’augmentation de 7 % par degré de réchauffement prédite par la théorie vieille de 200 ans. “Essentiellement, vous obtenez un coup de pouce supplémentaire… dans nos simulations, c’était presque le double”, explique Martin Singh, climatologue à l’Université Monash de Melbourne, en Australie.
Le regroupement des nuages ajoute à cet effet en retenant ensemble l’air chaud et humide, ce qui fait que davantage de gouttelettes de pluie tombent. Une étude menée par Muller et ses collaborateurs a révélé que les agglomérations de nuages intensifient de 30 à 70 pour cent les précipitations extrêmes de courte durée, en grande partie parce que les gouttes de pluie s’évaporent moins à l’intérieur des nuages détrempés.
D’autres recherches, notamment une étude menée par Jiawei Bao, chercheur postdoctoral dans le groupe de Muller, ont également montré que les processus microphysiques qui se déroulent à l’intérieur des nuages ont une forte influence sur les averses rapides et abondantes. Ces averses soudaines s’intensifient beaucoup plus rapidement avec le changement climatique que les déluges prolongés et provoquent souvent des crues soudaines.
L’avenir des précipitations extrêmes
Les scientifiques qui étudient l’agglutination des nuages veulent savoir comment ce comportement va changer à mesure que la planète se réchauffe – et ce que cela signifie en termes d’incidence de fortes pluies et d’inondations.
Certains modèles suggèrent que les nuages (et la convection qui les génère) se regrouperont davantage avec le réchauffement climatique – et produiront davantage de précipitations extrêmes qui dépasseront souvent de loin ce que prédit la théorie. Mais d’autres simulations suggèrent que les nuages se rassembleront moins. “Il semble qu’il existe encore une gamme de réponses”, déclare Allison Wing, climatologue à l’Université d’État de Floride à Tallahassee, qui a comparé différents modèles.
Les scientifiques commencent à tenter de concilier certaines de ces incohérences en utilisant des types puissants de simulations informatiques appelés modèles globaux de résolution des tempêtes. Ceux-ci peuvent capturer les fines structures des nuages, des orages et des cyclones tout en simulant le climat mondial. Ils apportent un réalisme 50 fois supérieur aux modèles climatiques mondiaux généralement utilisés par les scientifiques, mais nécessitent une puissance de calcul 30 000 fois supérieure.
En utilisant l’un de ces modèles dans un article publié en 2024, Bao, Muller et leurs collaborateurs ont découvert que les nuages sous les tropiques se rassemblaient davantage à mesure que les températures augmentaient – conduisant à des tempêtes moins fréquentes mais plus importantes, duraient plus longtemps et, au cours d’une journée, déversaient plus de pluie que prévu par la théorie.
Mais ce travail reposait sur un seul modèle et des conditions simulées à partir d’une date future proche – l’année 2070. Les scientifiques doivent exécuter des simulations plus longues en utilisant davantage de modèles de résolution des tempêtes, dit Bao, mais très peu d’équipes de recherche peuvent se permettre de les exécuter. Ils nécessitent tellement de ressources informatiques qu’ils sont généralement exécutés dans de grands centres centralisés, et les scientifiques organisent occasionnellement des « hackathons » pour analyser et partager des données.
Les chercheurs ont également besoin de davantage d’observations du monde réel pour comprendre certaines des plus grandes inconnues concernant les nuages. Même si de nombreuses études récentes utilisant des données satellitaires ont établi un lien entre l’accumulation de nuages et des précipitations plus abondantes sous les tropiques, il existe d’importantes lacunes dans les données dans de nombreuses régions tropicales. Cela affaiblit les projections climatiques et laisse de nombreux pays mal préparés. En juin 2025, des inondations et des glissements de terrain au Venezuela et en Colombie ont emporté des bâtiments et tué au moins une douzaine de personnes, mais les scientifiques ne savent pas quels facteurs ont aggravé ces tempêtes, car les données sont très maigres. « Personne ne sait encore vraiment ce qui a déclenché cela », dit Hernández Deckers.
De nouvelles données granulaires sont en route. Wing analyse les mesures de précipitations d’un navire de recherche allemand qui a traversé l’océan Atlantique tropical pendant six semaines en 2024. Le radar du navire a cartographié des groupes de convection associés aux tempêtes qu’il a traversées. Les travaux devraient donc aider les chercheurs à voir comment les nuages s’organisent sur de vastes étendues de l’océan.
Et une vision encore plus globale se profile à l’horizon. L’Agence spatiale européenne prévoit de lancer deux satellites en 2029 qui mesureront, entre autres choses, les vents proches de la surface qui agitent les océans de la Terre et effleurent les sommets des montagnes. Peut-être, espèrent les scientifiques, que les données renvoyées par ces satellites permettront enfin de mieux comprendre les amas de nuages et les pluies les plus fortes qui en tombent.
La recherche et les entretiens pour cet article ont été en partie financés par une résidence de journalisme financée par l’Institut des sciences et technologies d’Autriche (ISTA). L’ISTA n’a eu aucune contribution à l’histoire.
Cet article a été initialement publié dans Magazine connaissableune publication à but non lucratif dédiée à rendre la connaissance scientifique accessible à tous. Inscrivez-vous à la newsletter de Knowable Magazine.
