Pluie

Au III^e siècle av. J.-C., dans son traité Sur le feu, Théophraste pense que c’est le choc des nuages contre les montagnes qui produit la pluie.

Forme et taille des gouttes d'eau :
A) En réalité, les gouttes d'eau n'ont pas la forme 'classique'.
B) Les gouttes très petites sont presque sphériques.
C) Le dessous des gouttes plus grandes s'aplatit par la résistance de l'air, et donne l'apparence d'un petit pain de hamburger.
D) Les grandes gouttes ont beaucoup de résistance à l'air, ce qui les rend instables.
E) Les gouttes très grandes sont divisées par la résistance de l'air.

Les nuages chargés d'eau représentent la phase aérienne de la condensation en micro-gouttelettes d'eau (d'une taille de l'ordre du micromètre jusqu'à 30 μm) de la vapeur d'eau de l'air de préférence chaud et humide sur des noyaux de condensation. L'eau qui forme ces nuages provient de l'évaporation de l'humidité qui existe dans la nature et plus particulièrement des grandes étendues d'eau (lacs, mers, etc.). Cette vapeur d'eau se mélange à la masse d'air. Lorsque l'air s'élève à cause des mouvements de l'atmosphère, il se refroidit par détente. La vapeur d'eau contenue dans l'air se condense autour de noyaux de condensation (poussières, pollens et aérosols) lorsqu'une légère sursaturation est atteinte. Ces gouttelettes donnent des nuages[2]. C'est le grossissement de ces gouttelettes qui donnera la pluie.

On parle de pluie chaude quand les gouttes de pluie se sont entièrement formées dans un nuage au-dessus du point de congélation et de pluie froide quand elles sont le résultat de la fonte de flocons de neige quand l'air passe au-dessus de zéro degré Celsius en altitude. Mais il existe des phénomènes de surfusion hors équilibre thermodynamique, qui expliquent des températures de congélation réelle de gouttelettes avoisinant −20 °C.

Dans un nuage chaud (à température positive du type stratus ou stratocumulus), les gouttes d'eau grossissent par l'effet de courbure (grossissement des grosses gouttes au détriment des plus petites dont le rayon inférieur est associé à leur surface à une tension de vapeur saturante supérieure) et la collection (phénomène de coalescence par collision avec d'autres gouttelettes)[3] - [4]. La pluie se forme à partir du moment où l'accrétion des gouttelettes avoisine ou dépasse la taille de 50 μm[5]. L'accrétion amorcée par association collante se poursuit inéluctablement. La taille des gouttelettes peut alors facilement atteindre le dixième de millimètre, voire de manière catastrophique 4 à 5 mm dans les grosses pluies d'orage. Il existe aussi toutefois des « pluies sans nuages », telles que le serein des milieux maritimes et tropicaux.

La pluie est polydisperse : la taille des gouttes varie du dixième de millimètres à quelques millimètres (en moyenne 1 à 2 mm). Aucune goutte ne dépasse 3 mm, au-delà elles se pulvérisent[6]. Néanmoins, certaines gouttes peuvent dépasser cette taille par condensation sur de grandes particules de fumée ou par des collisions entre les gouttes de régions proches d'un nuage à très forte saturation. Le record atteint (10 mm) a été enregistré au-dessus du Brésil et dans les Îles Marshall en 2004[7]. Quand elles sont trop lourdes (environ 0,5 mm de diamètre) pour être soutenues par le courant ascendant, elles tombent, formant ainsi une pluie.

Dans un nuage froid (température négative), les gouttelettes peuvent rencontrer un noyau de congélation et se transformer en cristaux de glace. Le grossissement des gouttelettes d'eau surfondues s'explique par leur condensation et celui des cristaux de glace s'explique par l'effet Bergeron (cannibalisation des gouttes surfondues les entourant)[8]. Ils finissent eux aussi par tomber en capturant des flocons plus petits pour augmenter leur diamètre par l'effet de coalescence (agglomération des cristaux entre eux et d'accrétion d'eau surfondue). Lorsqu'ils passent dans de l'air au-dessus du point de congélation, les flocons fondent et continuent leur croissance comme les gouttes des nuages chauds. Des variations de température sur le parcours de la pluie peuvent occasionner d'autres formes de précipitations : pluie verglaçante, grêle ou grésil. Lorsque l'agglomération des gouttes et des cristaux atteint une taille critique, leur poids n'est plus compensé par les forces d'agitation (notamment les forces ascensionnelles) dans le nuage, ce qui enclenche les précipitations[9].

Rehaussement ou dissipation

Rideau de pluie sous un ciel orageux dont une partie forme de la virga.

Développpement de pluie par évapotranspiration.

Les forêts tropicales humides évapotranspirent plusieurs mm d'eau par jour, ce qui rehausse l'humidité relative qui peut être supérieure à 90 % en fin de journée et être à l'origine des orages du soir bien connus des voyageurs[10].

La fréquence des pluies, apportées par le passage d'air humide maritime, est souvent accrue quasi-exponentiellement par l'obstacle d'un simple relief terrestre, comme de simples collines à des monts plus élevés qui, eux, sont déjà susceptibles d'épuiser toute l'humidité des nuages ou brouillards bas. Ainsi, les mesures pluviométriques montrent qu'à moins de 90 km de Bergen, ville très arrosée qui reçoit plus de 2 mètres annuellement, de profondes vallées ont de vastes versants pierreux ou sableux, secs et arides, car elles sont dans l'ombre pluviométrique des montagnes. Malgré les abondantes réserves des formations glaciaires tout près, elles ne reçoivent quasiment pas de pluie.

Les pluies d'orage, aléatoires dans le temps et l'espace, restent souvent très localisées. Selon l’humidité relative de l'air rencontré sous le nuage, la goutte de pluie peut aussi s'évaporer et seulement une partie atteint le sol. Quand l'air est très sec, la pluie se vaporise entièrement avant d'atteindre le sol et donne le phénomène nommé virga. Cela se produit souvent dans les déserts chauds et secs mais également partout où la pluie provient de nuages de faible extension verticale.

Sécheresse

Polygones de dessiccation dans le désert de Sonora.

Une sécheresse est la conséquence directe d'un manque de pluie à un endroit sur une période. La pluie est indispensable à la fertilité des sols et à la recharge en eau des nappes phréatiques. Un déficit pluviométrique majeur peut engendrer des problèmes d’approvisionnement en eau des sols et des populations pouvant provoquer des restrictions voire des coupures. Le manque de pluie engendre sur l'environnement un assèchement des sols, de la végétation, des incendies et une mortalité des animaux. Les pays situés dans la latitudes des chevaux (Méditerranée, Sahel, désert de Sonora, etc.) sont les plus exposés à la sécheresse chaque année car il s'agit d'une zone d'anticyclones semi-permanents qui inhibent les précipitations.

La mesure de la pluie, appelée pluviométrie, se fait avec un simple appareil nommé le pluviomètre. Cette mesure correspond à la hauteur d'eau recueillie sur une surface plane. Elle s'exprime en millimètres, et parfois en litres par mètre carré (1 litre/m² = 1 mm). On sépare l'intensité de la pluie en pluie faible (trace à 2 mm/h), modérée (2 mm/h à 7,6 mm/h) et forte (plus de 7,6 mm/h)[11]. En station météorologique, cette mesure est faite quotidiennement, à chaque heure ou instantanément selon le programme de la station. Lors d'une pluie, ce taux n'est pas nécessairement uniforme et peut varier instantanément[12].

La mesure par pluviomètre est ponctuelle et ne donne que de l'information à une faible distance de la station. Pour connaître les quantités de pluie qui tombent sur une région ou un bassin hydrologique, la mesure par radar météorologique est utilisée. Le faisceau radar est retourné en partie par les gouttes d'eau et en calibrant ce retour, il est possible d'estimer les quantités de précipitations qui tombent sur la région de couverture de l'appareil. Ces données sont sujettes à différents artefacts qui une fois enlevés peuvent donner une bonne estimation jusqu'à environ 150 km du radar.

Les pluies se caractérisent aussi par leur durée et leur fréquence tout au long de l'année. Ces données sont notamment utilisées afin de dimensionner les réseaux d'assainissement des villes. Pour comparer la pluviosité de régions géographiques différentes, on utilise un cumul annuel de la quantité de pluie. On l'exprime alors en millimètres par an (par exemple, environ 2 500 mm/an en forêt tropicale humide, moins de 200 mm/an dans une zone désertique et le phénomène de la mousson amène de lourdes précipitations qui peuvent engendrer une moyenne annuelle avoisinant les 10 000 mm, concentrés sur quelques mois[13]).

Dans les régions arides et/ou très polluées où le vent peut soulever beaucoup de poussières naturelles ou artificielles, la pluie peut en rabattre des quantités significatives au sol (ici à Riyadh en mai 2009).

Comme les autres hydrométéores (rosée, brume, givre, condensations), l'eau de pluie est initialement réputée pure et légèrement acide mais des mesures et analyses chimiques faites principalement pour les composés azotés dès la fin du XIX^e siècle, dont en zone tropicale[14] et le début des années 1900[15] - [16] - [17] - [18] - [19] - [20], et surtout à partir des années 1950 pour d'autres bons traceurs d'activités humaines tels que le soufre, le chlore ou l'iode[21] montrent qu'en se formant et en tombant, la pluie se charge de différents éléments minéraux et polluants (solubilisés, inclus dans les gouttelettes ou collés à leur surface) qui la rendent moins pure et parfois non potable, voire très polluée (pluies acides).

En particulier, le début d'une averse est souvent chargé en polluants (lessivage des particules et gaz solubles présents dans l'air traversé par la pluie, s'ajoutant aux molécules déjà éventuellement solubilisées dans les nuages). Très localement certaines conditions peuvent même induire un phénomène dit « pluie de mercure ». Les petites pluies suivant une période non-pluvieuses sont également souvent beaucoup plus concentrées en oligoéléments, nitrates[22], soufre et autres polluants que les fortes pluies (autrement dit par litre d'eau, les contaminants sont bien plus dilués, mais la quantité totale d'apport au sol est aussi un élément important).

Chaque pluie contribue à nettoyer l’air d’une partie des particules et polluants qu’il contient, mais dans certains environnements (sol agricole dévégétalisé ou labouré, sol poussiéreux, sol urbain pollué, sur sol industriel ou eau d’épuration polluée, etc.), l’explosion des gouttes d’eau sur le sol est à l’origine d’un nouvel aérosol constitué de micro et nanoparticules organiques, minérales, incluant des spores fongiques, des bactéries et des restes de plantes et d'animaux morts[42]. Ce phénomène fut photographié et étudié dès 1955 par A. H. Woodcock qui a clairement montré qu’il pouvait contribuer à la pollution de l’air quand il pleut, par exemple, sur certains déchets industriels ou boues d'épuration[43].

D’autres auteurs (tel Blanchard en 1989) ont ensuite expliqué comment ces aérosols se formaient également en mer[44]. En 2015, il a été démontré que cette « brume induite » par la pluie peut repolluer ou polluer l’air, mais qu’elle peut aussi générer de nouvelles pluies (en ensemençant les nuages). Une partie des micro-aérosols formés après l’éclatement des bulles d’air créées par la chute de gouttes de pluies dans de l’eau non-pure se déshydrate et se diffuse dans l’atmosphère sous forme de « nanosphères » (de 0,5 µm de diamètre). Ces sphères sont essentiellement composées de carbone, d’oxygène et d’azote. Leur mécanisme de formation a été d’abord étudié en laboratoire, en filmant à fort grossissement et grande vitesse une pluie artificielle[45], puis le phénomène a été étudié par des chercheurs américains en plein air grâce à la microscopie à haute résolution appliquée à l’étude de particules en suspension dans l'air recueillie en 2014 dans les masses d’air circulant au-dessus des grandes plaines agricoles de l'Oklahoma[42]. Un à deux tiers des particules aéro-transportées étaient des nanoparticules issues des sols agricoles. Une partie des pesticides et nitrates trouvés dans l’air et ensuite transportées par les vents ou rabattues au sol par de nouvelles pluies pourraient venir de ce processus[42].

Quand la pluie commence à produire des flaques d’eau ou un film d'eau sur le sol, cette eau dissout une partie de la matière organique ou des molécules du substrat ou de molécules adsorbées sur ce substrat. Les impacts des nouvelles gouttes de pluie créent des éclaboussures et de petites bulles d'air qui remontent vers le haut et éclatent en arrivant à la surface du film d’eau ou des flaques[42]. L'éclatement de chacune de ces bulles projette dans l’air des nano-gouttelettes qui formeront une très fine brume enrichie en matière organique[42]. Cette brume se déshydrate ensuite en formant les minuscules billes sphériques solides observables au microscope. Selon cette étude une pluie légère ou modérée semble plus efficace pour produire cet aérosol que celle constituée de grosses gouttes, car produisant plus de bulles d’air[42]. Les auteurs ont dressé le même constat dans l’air au-dessus d’une surface de terre végétale arrosée par un tuyau d'arrosage. Ils en déduisent qu’« Il est probable que l'irrigation des terres cultivées contribue à libérer dans l’air plus de particules organiques du sol, et potentiellement accroître les précipitations dans les régions irriguées »[42]. L’analyse de données météorologiques provenant du sud de l'Australie avait déjà montré que des pluies sur des terres agricoles, augmentaient la probabilité de nouvelles précipitations après un orage, suggérant que parfois « la pluie peut engendrer plus de pluie »)[42]. La prise en compte de cette interaction devrait améliorer les modélisations météorologiques mais aussi celles qui concernent la pollution de l'air, le cycle biogéochimique de certains éléments et celles qui concernent le changement climatique[42].

Impressions de gouttes de pluie fossiles sur du grès ondulé de la formation de Horton Bluff (Mississippien), près d'Avonport, au Canada

Certaines roches sédimentaires sont « imprimées » d'impacts de gouttes de pluie. On parle de traces fossiles de pluie. Pour qu'une couche sédimentaire garde de telles traces, il faut un timing particulier : une fin de pluie sur un sol déjà engorgé, puis une période sèche, avant que la sédimentation ne reprenne.

Les traces de gouttes de pluie fossilisées peuvent aider les scientifiques à déterminer la pression atmosphérique de l'époque de l'événement[46]. Toutefois, d'autres phénomènes peuvent expliquer ces formations.

Quand une pluie nouvelle tombe sur un substrat (éventuellement sec et/ou poussiéreux), elle suscite une odeur.

Quand la pluie tombe sur un sol sec et poussiéreux, elle suscite une odeur particulière dont l'origine est longtemps restée mal comprise. Dans les milieux naturels, cette odeur serait celle du petrichor (néologisme forgé par Bear et Thomas, géologues australiens, en 1964 dans un article paru dans la revue Nature (petra signifiant pierre et ichor sang/fluide)). Le mot géosmine est ensuite plutôt utilisé pour décrire l'odeur émanant du sol naturel après une pluie. L'odorat humain y est très sensible (la géosmine est perçue dans l'air dès qu'elle atteint un taux de 5 ppb) et c'est une odeur jugée plutôt agréable. En ville et sur les enrobés goudronnés, la pluie prend une odeur particulière. Une autre composante de l'odeur de la pluie, en cas d'orage, est l'ozone qui est produite par les éclairs[47].

Plus récemment, des scientifiques du MIT ont filmé les gouttes d'eau s'écrasant au sol avec des caméras à très hautes vitesse et résolution. En éclatant au sol, la plupart des gouttes emprisonnent sous elles de minuscules bulles d'air qui participent à un phénomène de nébulisation en remontant dans la goutte d'eau et en éclatant à sa surface, formant un aérosols que notre système olfactif identifie comme l’odeur de la pluie. Plusieurs paramètres jouent sur l'intensité de cette odeur : la taille et la vitesse de la goutte, la porosité et la nature du sol. L'étude a porté sur 28 types de surfaces différentes (12 substrats artificiels et 16 types de sol). La quantité d'aérosol était maximale sur les substrats légèrement poreux (argile ou terre battue par exemple) et avec une pluie faible à modérée[48].

En filmant des gouttes d'eau s'écrasant sur des surfaces couvertes d'une encre fluorescente, on observe qu'une partie de ce film coloré passe dans l'aérosol. Ceci laisse penser que divers spores, virus, bactéries peuvent aussi passer du sol à la colonne d'air lors des pluies, une information intéressante pour l'écoépidémiologie[48].

Pluie maritime.

Pluie tropicale dans une rue de León, au Mexique.

L'attitude des populations vis-à-vis de la pluie diffère selon les régions du monde, mais aussi selon les milieux d'activités socio-professionnels et surtout les modes et temps d'activités ou de loisirs.

Dans les régions tempérées, comme l'Europe urbaine de l'époque contemporaine, la pluie a pris plutôt une connotation triste et négative — « Il pleure dans mon cœur comme il pleut sur la ville », écrivait Paul Verlaine — alors que le soleil est synonyme de joie. Le monde paysan d'Europe occidentale, divisé en cultures spécifiques caractéristiques d'héritages lointains, semble autrefois étranger à ce jugement. Il a gardé tacitement des rituels de valorisation de la canicule ou d'ensoleillements forts, supposés momentanément nécessaires pour la croissance et la maturation des plantes, pour diverses tâches agro-pastorales comme la fenaison, la construction des édifices. La pluie banale, phénomène nullement divinisé mais parfois repoussé en nom collectif à une date limite, pour ne pas devenir gênante ou porter malheur pendant ces heures ou périodes réservées, peut alors reprendre comme bon lui semble.

En marge de cette vision moderne dominante, potentiellement négative de la pluie si elle est jugée par trop abondante ou intempestive, il ne faut pas oublier qu'elle reste aussi communément associée à des valeurs positives : apaisement, fertilité de la végétation et du monde animal et humain, refroidissement de l'air après une vraie canicule, propreté, nettoyage des poussières et pollutions urbaines, réserve d'énergie pour les flux d'eau. Les valeurs esthétiques des artistes modernes s'affrontent parfois ouvertement au cliché de la pluie maussade.

L'expression Mariage pluvieux, mariage heureux, proverbe populaire, figure peu dans la littérature. C'est une consolation pour ceux qui se marient sous la pluie. Nous y avons deux métaphores:

• La plus utilisée est celle de "Mariage plus vieux, mariage heureux". En effet, les mariages de personnes trop jeunes seraient moins heureux que ceux de personnes plus mures, et cela est confirmé par les statistiques de l'INSEE.
• La seconde métaphore "Mariage pluvieux mariage heureux, venteux malheureux" concerne la nuit de noce: une nuit de noce mouillée est plus féconde qu'une nuit de noce asséchée. C'est pour cette dernière version que penche le cœur de l'académie française.

Mais l'expression se transmettant oralement, les deux métaphores sont valables[49].

Dans les régions sèches, comme certaines parties de l'Afrique, de l'Inde, du Moyen-Orient, la pluie est considérée comme une bénédiction et reçue avec euphorie. Elle a un rôle économique fondamental, là où les cours d'eau sont rares et la distribution de l'eau potable et l'irrigation sont conditionnées par les précipitations.

De nombreuses cultures ont développé des moyens de se protéger de la pluie (imperméables, parapluies), et élaboré des systèmes de canalisation et d'évacuation (gouttières, égouts). Là où elle est abondante, soit par sa fréquence, soit par sa violence (mousson), les gens préfèrent instinctivement se mettre à l'abri.

L'eau de pluie bénéficie naturellement à l'agriculture et donc aux populations qui en dépendent. Elle peut être stockée pour faire face à des périodes sèches. Son acidité et la présence de poussières la rendent fréquemment impropre à la consommation, et nécessitent des traitements bien qu'elle soit consommée telle quelle depuis toujours dans bien des endroits du monde y compris en France il y a peu.

L'urbanisation doit prendre en compte une gestion de la pluie. Les sols rendus étanches dans les villes nécessitent le développement de réseaux d'évacuation et d'assainissement. En changeant la proportion entre l'eau de ruissellement et l'eau absorbée par le sol, le risque d'inondations est augmenté si les infrastructures sont sous-dimensionnées. Ces évacuations directement dans les cours d'eau contribuent grandement aux phénomènes destructeurs des crues.

• 
  La Place de l'Europe, temps de pluie, Gustave Caillebotte.
• 
  Averse blanche à Shōno, estampe de Hiroshige.
• 
  Forte pluie sur un bois de pins (estampe d'Hiroshige).
• 
  Berger sous la pluie (Pissaro).

Nuages polaires sur Titan.

Différentes revues scientifiques ont annoncé des conjectures de précipitation liquide sur d’autres astres. Par analogie, elles sont appelées pluies :

• Sur Vénus, il pleuvrait de l’acide sulfurique[54].
• Sur Titan, il pleuvrait du méthane[55].
• Sur WASP-76 b, il pleuvrait du fer sur la zone entre les faces jour et nuit[56] - [57] - [58].

En 2021, une étude indique comment calculer la forme et la vitesse de chute des gouttes de pluie, ainsi que la vitesse à laquelle elles s'évaporent ; elle conclut que, dans un large éventail de conditions planétaires, seules des gouttes de pluie dans une plage de taille relativement étroite peuvent atteindre la surface à partir des nuages[59].

Par extension on appelle aussi pluie toute chute de corps :

• Sur Neptune et Uranus, les modèles et expériences de laboratoire prédisent des chutes de diamant[60].
• Sur HD 189733 b, il chuterait des particules de verre (silicates)[61].
• Dans des planètes géantes, telles que Jupiter, de l’hélium se séparerait de l’hydrogène, puis se rapprocherait du centre[62].

Dans le langage imagé, la pluie peut désigner une précipitation abondante d'objets, voire cette abondance elle-même, comme dans le cas d'une pluie d'or. La pluie d'or est aussi l'apparence que Zeus a adoptée pour séduire Danaé.

Dans de nombreuses régions, la pluie est un phénomène météorologique d'une grande banalité. Ce caractère commun de la pluie se retrouve dans certaines expressions comme ne pas être né de la dernière pluie.