Les flocons de neige

Nature insolite 

LES FLOCONS DE NEIGE

La géométrie de l'eau

Un physicien du California Institute of Technology est parvenu a découvrir un des principes dictant la formation d’un flocon de neige.

Kenneth Libbrecht, professeur de physique au California Institute of Technology et remarquable spécialiste des flocons de neige pense être en bonne voie pour élucider enfin le mystère des formes de ces minuscules cristaux de glace.

Les scientifiques savent déjà depuis des années que les flocons se forment dans les nuages à partir de cristaux hexagonales qui se ramifient par la suite en branches délicates. Ce modèle de croissance est étroitement lié à la température environnante. Aussi, à près de -2 degrés Celsius, ils grandissent pour donner de petits disques plats, à -5 degrés ils se structurent en fines colonnes et aiguilles, à proximité de -15 degrés ils deviennent des lamelles extrêmement fines et au delà de -30 degrés, ils se présentent de nouveau comme de minces colonnes.

Comment de telles variations de températures aussi minimes soit-elles peuvent-elles engendrer des changements aussi radicaux sur la structure des cristaux ? La question est jusqu’à présent resté en suspend. 

Un développement différent en fonction de la température

Pour tenter d’expliquer cette problématique, Kenneth Libbrecht a observé une série de flocons prélevés dans différentes parties des Etats-Unis. Ses observations se sont effectuées au moyen d’un photomicroscope spécialement conçu pour les cristaux de glace. Au total, plus de 10.000 photographies de cristaux de glace ont été répertoriés dans son inventaire.

Grâce à cette banque d’images, et une série d’expériences, le chercheur a pu mettre en évidence le processus de développement des flocons. Ses résultats montrent qu’à une température de 15 degrés Celsius, les coins du cristal hexagonal forment une petite bosse qui progresse le plus loin du centre pour recueillir un maximum d’humidité. Par effet de rétroaction positive, la progression de ces nouvelles branches devenant de plus en plus intense, engendre une accélération de son développement.

Pour l’heure, cette découverte représente seulement la première étape vers la compréhension des formes du flocon. Le scientifique s’attache désormais à découvrir pourquoi différentes températures conduisent à un développement différent des crêtes de l’hexagone résultant tantôt des colonnes tantôt des disques, ou tantôt des plaques.

 maxisciences 

Cristaux de neige, photographiés par Wilson Bentley (1865-1931)

La formation des flocons de neige

La neige est une forme de précipitation, constituée de glace cristallisée et agglomérée en flocons pouvant être ramifiés d'une infinité de façons. Puisque les flocons sont composés de petites particules, ils peuvent avoir aussi bien une structure ouverte et donc légère qu'un aspect plus compact voisin de celui de la grêle, même si celle-ci n'a rien à voir dans sa formation. La neige se forme généralement par la condensation de la vapeur d'eau dans les hautes couches de l'atmosphère et tombe ensuite plus ou moins vite à terre selon sa structure.   Les canons à neige produisent de la neige artificielle, en réalité de minuscules grains proches de la neige fondue. Cette technique est utilisée sur les pistes de ski intérieure, mais aussi dans les stations de sports d'hiver pour améliorer l'état des pistes.   Des études récentes ont montré que certaines bactéries (dites glaçogènes) jouent un rôle important dans la formation des cristaux de glace ou de neige. Ces bactéries sont normalement épiphytes (pseudomonas sp. par exemple) mais peuvent parfois être pathogènes. Elles sont identifiées dans de nombreux échantillons de neige en France, en Amérique du Nord et en Antarctique1. Historique   Kepler fut l’un des premiers scientifiques à s’intéresser à la formation des flocons. Il rédige en 1611 un traité, L’Étrenne ou la neige sexangulaire. Vers 1930, le japonais Ukichiro Nakaya forme ses propres flocons dans des conditions expérimentales, fixant la température et la saturation en eau. Il s’aperçoit alors que la forme des cristaux dépend de ces deux paramètres. En 1935, Tor Bergeron développe la théorie de croissance des flocons à partir de la cannibalisation des gouttes d’eau surfondues appelée l’effet Bergeron.  

  Diversité

Dans un nuage très froid, la vapeur d’eau se condense directement en cristaux de glace sur des particules en suspension (poussières, fumée…). S'ils ne rencontrent que des couches d’air de température inférieure à 0 °C pendant leur chute, les cristaux s’agglutinent et se combinent pour former des flocons de plus en plus larges. L’assemblage de ces cristaux dépend essentiellement des températures. La seule caractéristique commune à tous les cristaux est la structure hexagonale. Elle provient d’une minimisation de l’énergie potentielle chimique du cristal.   La forme des cristaux varie en fonction de la température, mais aussi du degré d’humidité :  de 0 à -4 °C : minces plaquettes hexagonales ;  de -4 à -6 °C : aiguilles ;  de -6 à -10 °C : colonnes creuses ;  de -10 à -12 °C : cristaux à six pointes longues ;  de -12 à -16 °C : dendrites filiformes.   La densité de la neige fraîchement tombée est très variable. Cette variation dépend du type de cristaux favorisés par la température dans la couche où la neige se forme, et du vent qui est un facteur limitatif à leur croissance. De plus, la température de l'atmosphère variant avec l'altitude, on a généralement une variété de types de flocons. Finalement, la friction près du sol par le déplacement dû au vent va briser certains cristaux et ainsi modifier le rapport entre la masse des flocons et l'air contenu dans la congère.   Les statistiques donnent une moyenne de 110 kg par mètre cube, avec un écart type de 40 kg qui confirme le caractère dispersé de ce critère. Le rapport entre la hauteur d'eau dans un nivomètre provenant la masse de neige et la hauteur mesurée au sol de cette neige est ainsi souvent donné comme 1 mm pour 1 cm (rapport 1:10). Cependant, des études canadiennes et américaines montrent que ce rapport varie entre 1:3 (température très élevée) et 1:30 (temps très froid). 

Cycle de vie d'un cristal  

 La formation et l'évolution des cristaux intègrent :  Les multiples degrés de liberté d'association chimique des molécules d'eau ; l'expression de ces possibilités est favorisée par la relative lenteur de cristallisation : une dizaine de minutes à quelques heures. Ceci est à la base de l'extrême diversité des formes créées.  Les diverses conditions météorologiques rencontrées entre la formation et la disparition : conditions du niveau de formation, avant précipitation  conditions des couches atmosphériques traversées  conditions au niveau du sol, s'il est atteint.  

La faiblesse des liens entre molécules d'eau rend ces cristaux très sensibles à toute modification de leur environnement. On peut considérer le cristal de neige comme instable et qu'il doit être en phase de cristallisation pour conserver sa forme, si bien que des recombinaisons se produisent dès que celle-ci s'interrompt. Cette vive sensibilité rend difficile l'observation microscopique des cristaux sans précautions particulières.   Conditions du niveau de formation   Les paramètres des mouvements d'air ascendants conditionnent particulièrement la durée de cristallisation et les possibilités de pénétration dans des couches différentes par leur hygrométrie, température, pression, ... À ce niveau, des cristaux peuvent fondre, se sublimer, se combiner, mais aussi se trouver recouverts d'eau en surfusion ; les cristaux se couvrent de nodules d'abord invisibles mais qui peuvent dans certains cas leur donner un aspect de « fleur de mimosa ».   Même si l'air n'est pas ascendant, la résistance qu'il oppose parfois demande l'agglomération de plusieurs cristaux avant que la précipitation ne se déclenche.   La neige commence sous un nuage cumulonimbus où la température est d'environ 1 à 2 degrés. En tombant, elle se cristallise lorsqu'elle passe une zone de 0 °C ou moins.

http://fr.wikipedia.org/wiki/Neige 

 VOIR AUSSI :

Les Cristaux d'eau de Masaru Emoto