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Jan
01

Étoiles des neiges


Paru dans : Etoiles des neiges  J.M. Courty et E. Kierlik, Pour la Science N°303, (janvier 2003). Retrouvez l’article complet dans « Le monde a ses raisons ».

La forme d’un flocon de neige est déterminée par les symétries de la molécule d’eau et les conditions atmosphériques pendant sa chute.

Extraits

Après cette nue, il en vint une autre qui ne produisait que de petites roses ou roues à six dents arrondies… René Descartes, Les Météores, 1637

Chaque flocon de neige est unique, que sa forme soit celle d’une plaquette, d’une étoile, d’un bouton de manchette ou d’une nouille. Ce particularisme intrigue les savants, les premiers à s’en étonner étant Johannes Kepler et René Descartes. Aujourd’hui, les physiciens savent quels mécanismes commandent la croissance cristalline de la glace. Pour les découvrir, nous suivrons, de la prime enfance à la maturité, la croissance d’un «peloton de glace», comme disait si joliment Descartes. Nous comprendrons alors mieux l’incroyable variété de la structure des flocons et l’origine des angles de 60° ou de 120° qu’elle arbore partout.

À un stade précoce de sa croissance, un flocon de neige prend la forme d’un prisme hexagonal, qui croîtra ensuite selon trois modes possibles. (dessin : Bruno Vacaro)

La naissance d’un flocon de neige s’accomplit sous les auspices de trois marraines : la vapeur d’eau, la température et… la poussière. La vapeur d’eau, tout d’abord, doit être suffisamment dense dans l’atmosphère pour qu’elle s’y condense à la première occasion. Elle se condense sous forme de glace, quand la température est inférieure à 0° C à partir d’une densité minimale de vapeur d’eau dans l’atmosphère, la densité de saturation. La croissance cristalline s’amorce à partir d’un germe, soit une poussière, soit un microcristal de glace. Quand l’atmosphère est très propre, un tel cristal microscopique ne se forme pas facilement. … …   aussi, le plus souvent, la croissance de la glace s’amorce à la surface de poussières atmosphériques. La chute de neige dense que nous espérons pour Noël est pour l’essentiel, une pluie de poussières atmosphériques que leur robe de glace contraint à la chute! … ….

Le cristal initial de glace mesure environ un centième de millimètre et sa forme est vaguement sphérique même si sa surface est très irrégulière à l’échelle moléculaire. La croissance qui se poursuit, réduit très rapidement cette rugosité car les molécules d’eau se fixent préférentiellement là où elles peuvent établir le plus de liaisons avec leurs semblables, donc dans les creux. Petit à petit, la croissance engendre des plans cristallins et elle détermine leurs surfaces et leurs orientations de façon à produire une forme régulière et symétrique. Quelle est la raison moléculaire de ce comportement surprenant? Aux pressions et aux températures atmosphériques, chaque molécule d’eau se trouve au centre d’un tétraèdre formé par ses quatre voisines et le réseau cristallin de la glace a une symétrie hexagonale (on comprend cette géométrie en regardant les tétraèdres «de dessus» : ils se projettent alors selon des triangles équilatéraux, qui accolés forment des hexagones). Le cristal qui résulte de la croissance, est un prisme hexagonal, dont les faces supérieure et inférieure sont des hexagones (ce qui explique les angles de 120 et 60 degrés) et les facettes latérales des rectangles. Sa taille initiale est de l’ordre d’un cinquième de millimètre : ceux dont la croissance a abouti à une autre forme intègrent néanmoins des hexagones dans leur structure.

Dans l’étape suivante de la croissance, la nature de la surface de la glace joue un rôle dominant. Les molécules qui la constituent forment une couche désordonnée, quasi liquide. À l’échelle microscopique, cette couche conserve une sorte de mémoire de la structure des plans cristallins sous-jacents. À notre échelle, elle «lubrifie» la glace et la rend glissante ; c’est aussi par son intermédiaire que les flocons se collent lorsque nous formons des boules de neige. … … Puisque la surface du cristal est quasi liquide, les molécules qui s’y déposent, peuvent s’y déplacer ensuite jusqu’à l’endroit le plus favorable (un creux!) avant de se fixer. Selon la température, ce processus de diffusion est plus ou moins lent, ce qui affecte la forme prise par le flocon.

L’histoire détermine la géométrie

Ainsi, selon les conditions atmosphériques, les flocons, jusque-là tous jumeaux, adoptent une multitude de formes. Troismodes de croissance dominent. Les deux premiers sont commandés par la température : selon la valeur de celle-ci, ce sont soit les faces hexagonales, soit les facettes latérales,qui «poussent» le plus vite. Entre –10°C et –5°C, les bases hexagonales se développent plus que les facettes : à –6°C par exemple, cette vitesse de croissance est le double de celles des facettes latérales et le flocon a alors l’aspect d’une colonne. Aux températures supérieures à –5 °C ou inférieures à –10 °C en revanche, les facettes croissent plus rapidement que les faces hexagonales : elles poussent par exemple de 0,5 millième de millimètre par seconde à –13 °C, soit quatre fois plus que ne le font les bases. Un flocon de neige qui reste à cette température pendant toute sa croissance prend la forme d’une plaquette hexagonale.

….

Références

  • Morphogenesis on Ice : The Physics of Snow Crystals, Engineering and Science LXIV, vol. 1, 2001.

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