Certains soirs, de lumineuses formations atmosphériques ressemblant à de fins cirrus ou à des cirrostratus ondulent lentement sur le fond du ciel crépusculaire. Ces nuages nocturnes lumineux, appelés aussi noctilumineux, nuages noctiluques, ou encore nuages noctulescents (NLC en abrégé, d'après l'anglais « noctilucent clouds »), circulent à la frontière de l'espace à une altitude d'environ 75 à 85 kilomètres, alors que les plus hauts nuages de la troposphère atteignent au maximum 12 à 15 kilomètres d'altitude. Situés dans la mésosphère, la région de l'atmosphère entre la stratopause et la thermosphère, ces nuages nocturnes lumineux sont également appelés nuages mésosphériques polaires. Grâce à leur très haute altitude, ils sont encore éclairés par le Soleil alors que ce dernier est déjà descendu assez bas au-dessous de l'horizon de l'observateur et que la nuit est déjà installée.

Nuages noctiluques visibles le 14 Juillet 2009 en région parisienne - Crédit : Gilbert JAVAUX

Les conditions d'observation les plus propices ont lieu lors du crépuscule « nautique », lorsque le Soleil est situé entre 6 et 12 degrés sous l'horizon de l'observateur. Les nuages nocturnes lumineux se détachent alors du fond sombre du ciel.

Le spectacle est plus fréquemment observé au cours des mois d'été de chaque hémisphère, de mi-Mai à mi-Août dans l'hémisphère Nord ou de mi-Novembre à mi-Février dans l'hémisphère Sud. Les périodes les plus favorables sont celles des quelques semaines encadrant le solstice d'été, Juin et Juillet pour l'hémisphère nord, ou Décembre et Janvier pour la partie sud du globe terrestre.

Le spectacle d'un ciel paré d'ondulations d'un bleu électrique s'observe principalement entre 50 et 70° de latitude, et plus rarement aux latitudes plus basses. Ces dernières années, des observation ont cependant eu lieu dans les cieux des zones du globe situées entre 40 et 50° de latitude nord, comme en France ou Italie, ou encore au Colorado, en Utah ou en Virginie sur le continent américain.

Au sud de 50° de latitude, le ciel est trop sombre en raison d'un Soleil à plus de 12° au-dessous de l'horizon, et au nord de 70° le ciel est trop clair car le Soleil se situe à moins de 6° sous l'horizon (crépuscule civil) de l'observateur. Les nuages noctiluques sont tellement minces qu'ils dispersent moins de 1/1000ème de la lumière incidente sur eux (Gadsden et Schroder, 1989). Par conséquent le ciel est trop lumineux pour les observer durant le crépuscule civil. A la fin du crépuscule civil les nuages deviennent visibles car la luminosité du ciel a largement diminué. Dans la zone spécifique de latitude le Soleil reste entre 6 et 12° en dessous de l'horizon (crépuscule nautique) une grande partie de la nuit. En conséquence, le ciel est suffisamment sombre pour observer les nuages noctiluques. Le faible angle du Soleil sous l'horizon permet également aux altitudes élevées où résident les nuages noctiluques d'être dans la lumière solaire directe. Par conséquent les NLCs, qui ne génèrent pas de lumière propre, sont visibles grâce à la lumière du Soleil réfléchie.

Dans un document intitulé « Observing Noctilucent Clouds » publié en 1995 par The International Association of Geomagnetism & Aeronomy, Michael Gadsden et Pekka Parviainen ont détaillé les différentes formes que peuvent prendre les nuages noctiluques.

Nuages noctulescents - 12 Juillet 2009 - Menen (Belgique) - Copyright - Bertrand THOORIS - http://www.astrolab.be

Les nuages sont très ténus, ne montrant aucune structure discernable, et sont souvent présents comme toile de fond à d'autres formes. Ils ressemblent à des cirrus, contenant occasionnellement une faible structure fibreuse, et souvent décrit comme montrant une luminosité tremblotante. Les voiles sont la forme la plus simple de nuages noctiluques et précèdent souvent, d'environ une demi-heure, l'apparition de nuages noctiluques avec une structure bien définie.

Ce sont de longues traînées, survenant souvent en groupes organisés à peu près parallèles les uns aux autres ou entrelacés à petits angles, mais parfois une bande isolée est observée. Les bandes montrent peu de changement dans un emplacement à angle très faible d'élévation, mais les changements de luminosité peuvent se produire pendant les périodes de 20 à 60 minutes. Au sein de la structure générale, des bandes floues avec peu de mobilité sont souvent la structure prédominante dans le champ de nuages noctulescents, particulièrement lorsque la luminosité est faible. Des stries plus petites avec des torsions ou des courbures se séparent d'eux. Il existe deux types de bandes à distinguer :

     IIa - Des stries avec des bords diffus et flous

     IIb - Des rayures avec des bords bien définis

Ce sont des arrangements de stries très rapprochées, à peu près parallèles. Des volutes se trouvent parfois à travers de longues bandes, donnant l'apparence d'un peigne ou une plume. À d'autres moments, ils apparaissent seuls sur fond de voile. Les tourbillons peuvent changer leur forme et leur disposition, ou apparaissent et disparaissent en quelques minutes ou dizaines de minutes, beaucoup plus rapidement et fréquemment que les longues bandes. Ce type de nuages noctulescents peut être divisé en deux sous-groupes :

     IIIa - Des stries courtes, droites et étroites.

     IIIb - Les tourbillons présentent une structure en forme de vague avec des ondulations.

Ce sont des partiels ou, en de rares occations, anneaux complets de nuages avec des centres sombres. Ils sont parfois vus dans des formes de voiles, bandes et tourbillons. Trois sous-groupes identifiables de tourbillons peuvent être vus :

     IVa - Des tourbillons à faible rayon angulaire de courbure (0,1 à 0,5 degré). Ils peuvent apparaître comme de petites crêtes lumineuses, un peu comme la lumière qui ondule à la surface de l'eau.

     IVb - Une courbe simple, consistant en une ou plusieurs bandes avec un rayon angulaire de courbure de 3 à 5 degrés.

     IVc - Une structure cyclique à grand échelle.

Des structures plus complexes peuvent apparaître, lesquelles peuvent être réparties en quatre catégories principales :

     Type O - Des formes qui ne correspondent pas aux types I à IV (inconnues)

     Type S - Des nuages noctiluques avec des noeuds brillants

     Type P - Des tourbillons traversant une bande

     Type V - Des structures comme des mailles de filet

Nuages noctiluques - 23 Juin 2018 - 04h02 HL - Crêt de Chatillon, près d'Annecy (74) - © Copyright - Patrick DESTREM

Les nuages nocturnes lumineux ont, pour la première fois, attiré l'attention du monde scientifique en 1885, deux ans après l'éruption du super-volcan indonésien Krakatoa de 1883. Il reste difficile de savoir si leur apparence avait quelque chose à voir avec l'éruption du volcan, ou si leur découverte est due à plus de personnes observant les couchers de Soleil spectaculaires causés par les débris volcaniques dans l'atmosphère. Des études ont montré que les nuages nocturnes lumineux ne sont pas causés uniquement par l'activité volcanique, bien que la poussière et la vapeur d'eau pourraient être injectées dans l'atmosphère supérieure par les éruptions et contribuer à leur formation. Les scientifiques ont supposé à l'époque que les nuages étaient une autre manifestation des cendres volcaniques, mais après que les cendres se soient installées hors de l'atmosphère, les nuages nocturnes lumineux ont persisté. Finalement, la théorie selon laquelle les nuages sont composés de poussières volcaniques a été rejetée par V. Malzev en 1926.

Dans les années suivant leur découverte les nuages ont été étudiés en détail par Otto Jesse d'Allemagne, qui a été l'un des premiers à les photographier, en 1887, et semble avoir été l'inventeur du terme de « nuage noctulescent », ce qui signifie plus ou moins « nuage qui brille dans la nuit ». Ses notes fournissent la preuve que les nuages nocturnes lumineux sont apparus en 1885. Il avait fait des observations détaillées des couchers de Soleil exceptionnels causés par l'éruption du Krakatoa l'année précédente et était fermement convaincu que, si les nuages étaient visibles alors, il l'aurait sans doute remarqué. Des observations photographiques systématiques des nuages ont été organisées en 1887 par O. Jesse, W. Foerster, et F. Stolze et, après cette année, des observations continues ont été réalisées à l'Observatoire de Berlin. Au cours de cette recherche la hauteur des nuages a été déterminée par triangulation. Le projet a été interrompu en 1896.

Les premières déterminations de l'altitude des nuages noctulescents ont été faites par deux astronomes russes V. K. Tseraskii et A. A. Belopolskii, le 26 juin 1885, lesquels ont réussi à en déduire l'altitude des nuages dans les 73–83 kilomètres, ce qui, pour la première fois, démontre l'existence possible de nuages à grande altitude dans l'atmosphère. En outre, V. K. Tseraskii a été le premier observateur à photographier des nuages noctulescents en 1885 ou 1886, soit 1 ou 2 ans avant l'astronome allemand O. Jesse, qui possède les premières images publiées de nuages noctulescents. Les photographies faites par V. K. Tseraskii, malheureusement, ne nous sont pas parvenues.

Dans les décennies qui ont suivi la mort de Jesse Otto en 1901, il y avait peu de nouvelles connaissances sur la nature des nuages nocturnes lumineux. La conjecture de Wegener (en 1912), qu'ils étaient composés de glace d'eau, s'est plus tard révélée être correct. L'étude était limitée à des observations de terrain et les scientifiques avaient très peu de connaissances sur la mésosphère avant les années 1960, lorsque les mesures directes par des fusées ont commencé. Celles-ci ont montré pour la première fois que la présence des nuages coïncidaient avec des températures très basses dans la mésosphère.

Les premiers vols de fusée-sonde réussies ont été effectuées en 1962 dans le nord de la Suède et ont utilisé des collecteurs de particules qui se sont ouverts à des altitudes comprises entre 75 et 98 km qui ont révélé une abondance de particules de taille beaucoup plus grande lorsque la fusée a pénétré une couche de nuages noctulescents [Hemenway et al., 1964].

Les nuages nocturnes lumineux ont été détectés pour la première depuis l'espace par un instrument du satellite OGO-6 en 1972. Les observations par OGO-6 d'une couche brillante de diffusion sur les calottes polaires ont été identifiées comme des extensions vers les pôles de ces nuages.

Le satellite, Solar Mesosphere Explorer (SME), a plus tard cartographié la distribution des nuages entre 1981 et 1986 avec son spectromètre ultraviolet.

Plus tard, en 1982, le Cold Arctic Mesopause Project (CAMP) a correctement cartographié la distribution de température de la mésopause en été [Philbrick et coll., 1984]. Puis en 1993, le campagne de fusée NLC-93 à Esrange en Suède, a étudié la structure verticale d'une couche de nuages noctulescents in situ, montrant peu de variation verticale de la population de particules de nuages noctulescents à travers la couche, bien que la partie inférieure du nuage a été observée pour avoir une augmentation de taille des particules et une diminution de la densité de particules près de la base du nuage [Gumbel et Witt, 1998].

La campagne MIDAS-DROPPS était une campagne de fusée menée en Norvège en 1999 qui a synchronisé des fusées et des observations terrestres pour déterminer les tailles de particules à travers l'analyse des fonctions de phase de diffusion des particules NLC grâce à l'utilisation de photomètres optiques [Gumbel et al., 2001]. Puis en 2007, l'expérience de fusée PHOCUS a été menée afin de quantifier la densité du nombre de fumée et la distribution de la taille en fonction de l'altitude ainsi que la fraction des particules chargées des nuages noctulescents et n'a trouvé aucune différence générale entre les particules neutres et chargées [Hedin et al., 2007].

Les nuages ont été détectés avec un système LiDAR (Light Detection and Ranging) en 1995 à l'Université d'État de l'Utah, même quand ils n'étaient pas visibles à l'œil nu. La première confirmation physique que la glace d'eau est en effet le principal composant des nuages nocturnes lumineux est venue de l'instrument HALOE à bord de UARS (Upper Atmosphere Research Satellite) en 2001.

En 2001, le satellite suédois Odin a effectué des analyses spectrales sur les nuages, et produit tous les jours des cartes mondiales qui ont révélé de grands motifs dans leur distribution.

La sonde de la NASA nommée AIM (Aeronomy of Ice in the Mesosphere) a été placée en orbite le 25 Avril 2007 pour étudier ces nuages nocturnes lumineux afin de mieux comprendre notre atmosphère inférieure et comment ils sont reliés aux conditions météorologiques et climatiques. Les premières observations ont eu lieu le 25 Mai 2007. Des images prises par le satellite montrent des formes dans les nuages qui sont semblables à des formes dans les nuages troposphériques, faisant allusion à des similitudes dans leur dynamique. En 2012, le satellite AIM a détecté de la poussière météoritique incorporée dans les nuages noctulescents. Cette découverte soutient la théorie que la poussière de météore est un agent essentiel à la formation des nuages noctulescents.

Le 28 Août 2006, des scientifiques de la mission Mars Express ont annoncé qu'ils avaient trouvé des nuages de cristaux de dioxyde de carbone sur Mars qui s'étendaient jusqu'à 100 km au-dessus de la surface de la planète. Ce sont les plus hauts nuages découverts à la surface d'une planète. Comme les nuages nocturnes lumineux sur Terre, ils ne peuvent être observés que lorsque le Soleil est en dessous de la ligne d'horizon.

Une recherche publiée dans la revue Geophysical Research Letters en Juin 2009 suggère que les nuages nocturnes lumineux observés après l'événement de la Tunguska sont la preuve que l'impact a été causé par une comète.

Le Naval Research Laboratory (NRL) des États- Unis et le Space Test Program (STP) du Department of Defense des États-Unis ont mené le programme Charged Aerosol Release Experiment (CARE) le 19 Septembre 2009, en utilisant des particules d'échappement d'une fusée suborbitale Black Brant XII lancée depuis le Wallops Flight Facility de la NASA pour créer un nuage noctilucent artificiel. Le nuage devait être observé sur une période de plusieurs semaines ou mois par des instruments au sol et l'instrument Spatial Heterodyne IMager for MEsospheric Radicals (SHIMMER) sur le vaisseau spatial STPSat-1 du NRL/STP. Le panache de fusée a été observé et signalé aux organes de presse du New Jersey et du Massachusetts aux Etats- Unis.

Au début, les NLCs étaient un phénomène polaire, principalement vu dans les endroits les plus au nord, tels que la Scandinavie ou l'Alaska. Au cours des dernières années, le phénomène s'est amplifié et étendu et il n'est pas rare que les lueurs bleutées soient observées à des latitudes moyennes.

Motivée par les nombreuses observations terrestres de nuages noctulescents (NLC) à des latitudes aussi basses que ~40° Nord ces dernières années, un panel de chercheurs de divers laboratoires américains et de l’Université de Stockholm a mené une étude pour déterminer s'il y a eu des augmentations systématiques de NLCs dans les latitudes nordiques moyennes. Cette question est abordée par le biais de deux enquêtes de fréquences d'occurrence de nuages mésosphériques polaires (PMC, Polar Mesospheric Cloud) mesurées et modélisées. La température mesurée par l'instrument SABER sur le satellite TIMED sur la période 2002–2011 et une climatologie de 7 ans de vapeur d'eau développée à partir des données mesurées par l'instrument MLS sur le satellite Aura pour la période 2005–2011 sont utilisées pour simuler des PMCs de latitude moyenne. Les PMCs mesurés par l'instrument OSIRIS du satellite Odin et l'instrument SHIMMER sur le satellite STPSat-1 servent à valider largement les résultats modélisés de PMCs. Après la validation du modèle par rapport aux données PMCs, les résultats du modèle ont été utilisés pour examiner les changements dans les PMCs aux latitudes moyennes entre 2002 et 2011. Les résultats montrent une augmentation statistiquement significative du nombre de PMCs chaque saison dans la gamme de latitude 40° Nord-55° Nord pour la période examinée de 10 ans. Une augmentation de la fréquence des nuages semble être conduite par les baisses de température correspondantes sur la même période de temps. Pendant ce temps, l'activité solaire a diminué d'une active à une période de calme, ce qui aurait pu être partiellement responsable de la baisse de température au cours de cette période.

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Contact : Gilbert Javaux