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L’air ne peut contenir qu’une quantité limitée devapeur d’eau. La règle générale est : au plus haut est la température de l’air, au plus il est possible d’absorber la vapeur d’eau. Par exemple, à 20°C, l’air peut contenir jusqu’à 17 gr/m³ de vapeur d’eau, alors que ce sera maximum 5 gr/m³ s’il fait 0°C.

Lorsque la quantité maximale de vapeur d’eau est atteinte, on dit que l’air est saturé en vapeur d’eau. L'humidité relative est alors de 100%. A ce moment-là, se déclenche un processus de condensation liquide ou solide dans l’air qui rend les nuages visibles (voir aussi « composition des nuages »).

Le processus le plus important conduisant à la formation des nuages est le refroidissement. Pour pouvoir atteindre ce refroidissement, il faut que l’air s’élève. L’air n’est pas de suite saturé : à 0°C, l’air contiendra par exemple une concentration de 2,5 gr/m³ de vapeur d’eau, alors que son maximum pour cette température est de 5 gr/m³ (son taux d’humidité relative est donc de 50%). Cette parcelle d’air est forcée de s’élever et sa température diminue alors, mais la quantité de vapeur d’eau reste la même. A -8°C, l’air ne peut ainsi contenir qu’un maximum de 2,5 gr/m³, de sorte qu’on atteint le niveau de saturation (le taux d’humidité relative est de 100%).

L’air peut être amené à s’élever le long des fronts (autour des dépressions), le long des chaînes de montagne… Dans des situations de temps instable, les bulles d’air peuvent aussi spontanément s’élever. La conséquence de ces flux d’air ascendants est qu’il y a un refroidissement dû à la détente adiabatique. Parce qu’il y a diminution de la pression avec l’altitude, l’air subit une dilatation. Ce travail va diminuer l’énergie interne de la bulle d’air, conduisant à une diminution de la température.

Pratiquement tous les nuages sont formés de cette manière.