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Microphysique de la neige (1/3) : un aperçu historique

19 novembre 2021, 4 Commentaire(s)
Thèmes: Météo

Vous êtes-vous déjà demandé, en regardant un flocon de neige tomber, pourquoi il a cette forme particulière ? Cette question a intrigué les scientifiques depuis plus de 2000 ans et leur recherche a donné naissance à un domaine de la météorologie bien spécifique : la microphysique de la neige. Cette branche étudie l’ensemble des processus physiques qui ont lieu à micro-échelle et qui régissent la croissance des cristaux de glace dans les nuages en flocons de neige. Afin d’accompagner la saison hivernale à venir, nous vous proposons une série de trois blogs sur la microphysique de la neige. En guise de préparation, nous verrons tout d’abord un aperçu historique de la recherche en microphysique de la neige (ce blog). Dans le courant de l’hiver, les principaux processus de microphysique de la neige vous seront présentés (blog 2/3). Finalement, nous verrons comment il est possible de mesurer ces processus dans l’atmosphère avec quelques illustrations d’observations (blog 3/3).

Photo de flocons de neige prise à la station de Casey en Antarctique. Photo : J. Gehring, décembre 2018
Photo de flocons de neige prise à la station de Casey en Antarctique. Photo : J. Gehring, décembre 2018

Han Ying (135–150 AEC) et Johannes Kepler (1611) : comparaison de la symétrie des fleurs et des cristaux de glace

La fascination pour la forme des flocons de neige a une longue histoire. Une des plus anciennes traces écrites remonte à la dynastie des Han antérieurs quand l’intellectuel chinois Han Ying a contrasté la symétrie pentagonale des fleurs avec la symétrie hexagonale des cristaux de glace en 135–150 avant l’ère commune. C’est seulement au début de l’époque moderne que des scientifiques européens ont étudié la structure des flocons de neige avec un peu plus de détails. En 1611, Johannes Kepler suggérait une explication scientifique à la symétrie des cristaux de glace. Il est parti de la même comparaison que Han Ying avec la symétrie des fleurs et a conclu que les principes régissant la structure hexagonale des cristaux de glace sont nécessairement différents, car les fleurs sont vivantes. Il spécula que la symétrie des cristaux de glace pourrait être liée à la symétrie hexagonale d’un empilement de sphères dont la densité est maximale (conjecture de Kepler). L’idée est que pour empiler des sphères de la manière la plus compacte, il faut agencer la première couche en hexagone (voir  Figure 1). Son intuition était que les cristaux de glace étaient composés de petits éléments microscopiques arrangés en hexagones, comme un rayon de miel. Néanmoins, la perspective atomique de la matière n’était pas formulée scientifiquement avant John Dalton au début du XIXe siècle et donc Kepler ne pouvait pas étendre plus loin l’analogie de l’empilement des sphères.

Affichage aggrandi: Figure 1 : empilement compact de sphères en hexagone. Selon la conjecture de Kepler il s’agit d’une des deux manières d’empiler des sphères de la manière la plus compacte (l’autre étant avec une base carrée). Son intuition fut que les cristaux de glace se composent d’éléments microscopiques qui s’agencent en hexagone pour minimiser le volume occupé, comme le veut sa conjecture.
Figure 1 : empilement compact de sphères en hexagone. Selon la conjecture de Kepler il s’agit d’une des deux manières d’empiler des sphères de la manière la plus compacte (l’autre étant avec une base carrée). Son intuition fut que les cristaux de glace se composent d’éléments microscopiques qui s’agencent en hexagone pour minimiser le volume occupé, comme le veut sa conjecture.
Source : Faherty (2009)

René Descartes, Les Météores (1637) : observations à l’œil nu

En 1637, René Descartes décrit des observations faites à l’œil nu dans son célèbre traité de météorologie Les Météores. On peut en apprécier un extrait ci-dessous :

« Mais ce qui m’étonna le plus de tout, fut qu’entre ceux de ces grains qui tombèrent les derniers, j’en remarquai quelques-uns qui avaient autour de soi six petites dents [...], elles paraissaient manifestement être faites d’une neige fort subtile qui s’était attachée autour d’eux depuis qu’ils étaient formés, ainsi que s’attache la gelée blanche autour des plantes. [...] Seulement avais-je de la peine à imaginer qui pouvait avoir formé et compassé si justement ces six dents autour de chaque grain. [...] la chaleur [...] y avait aussi ému quelques vapeurs que ce même vent avait chassées contre ces grains, où elles s’étaient gelées en forme de petits poils fort déliés, [...] et ils avaient ainsi composé ces six dents. »

Affichage aggrandi: Figure 2 : Photographies de cristaux de glace prises entre février et mars 2018 à Pyeongchang en Corée du Sud. On voit bien la structure hexagonale avec les six « dents » décrites par Descartes, sauf sur le cristal en haut à gauche qui a probablement été « endommagé » par une collision avec un autre cristal durant sa chute.
Figure 2 : Photographies de cristaux de glace prises entre février et mars 2018 à Pyeongchang en Corée du Sud. On voit bien la structure hexagonale avec les six « dents » décrites par Descartes, sauf sur le cristal en haut à gauche qui a probablement été « endommagé » par une collision avec un autre cristal durant sa chute.
Source : Gehring (2021)

Le processus que Descartes décrit dans cet extrait correspond essentiellement à la déposition de vapeur, c’est-à-dire à la croissance d’un cristal de glace à partir de vapeur d’eau qui se dépose (ou « s’attache » pour reprendre la terminologie de Descartes) à ses extrémités. Il se demande quel processus peut conduire à la formation de ces « six dents » qui forment les branches du cristal. Il émet l’hypothèse que le vent ait pu « chasser » de la vapeur d’eau sur ces cristaux, qui s’y serait ensuite « attachée » pour former six branches. Bien que Descartes ait décrit avec ses propres termes le processus de déposition de vapeur, il n’explique pas la raison de la forme hexagonale des cristaux de glace. Pour cela l’intuition de Kepler est plus proche de la réalité : la forme hexagonale des cristaux de glace est essentiellement due à la forme des molécules d’eau qui s’organisent en maille hexagonale lors de la déposition de vapeur (voir Figure 3). Une fois cet hexagone formé, les branches grandissent aux extrémités.

Wilson Bentley (1902) : photographies et influence des conditions météorologiques

Les premières photographies documentées de flocons de neige sont attribuées à l’américain Wilson Bentley (Figure 4), qui a enregistré les conditions météorologiques associées à différents types de flocons (Bentley, 1902). Il a remarqué la dépendance de la forme des cristaux à la température et au vent, mentionnant par exemple que le vent peut empêcher la croissance parfaite des cristaux ou favoriser leur agrégation en un plus grand flocon de neige. Il a aussi relevé que les flocons de neige constitués d’agrégats de cristaux et ceux recouverts par du givre provenaient plutôt du bas des nuages. Nous verrons dans le 2ème blog de cette série que ses observations sont en partie confirmées par des recherches plus récentes. Ses travaux innovants ont permis d’identifier les conditions météorologiques qui peuvent influencer la morphologie des flocons de neige avant même que le domaine de la microphysique de la neige n’existe réellement.

Affichage aggrandi: Figure 4 : Photographies de cristaux de neige prises par Wilson Bentley durant l'hiver 1901-1902 aux Etats-Unis.
Figure 4 : Photographies de cristaux de neige prises par Wilson Bentley durant l'hiver 1901-1902 aux Etats-Unis.
Source : Bentley (1902).

Ukichiro Nakaya (1930) et Kenneth Libbrecht (depuis 1999) : création contrôlée de cristaux de glace en laboratoire

Dans les années 1930, les expériences en laboratoire de Ukichiro Nakaya constituent une véritable percée scientifique. Il a été capable de reconstituer des cristaux de glace de différentes formes en faisant varier la température et l’humidité environnantes. Il a ainsi démontré expérimentalement certaines des observations de Bentley et surtout a pu définir le diagramme de la morphologie des cristaux de glace (Figure 5), qui s’est vérifié par la suite (Kobayashi, 1961). Cette découverte démontre le lien direct entre la forme d’un cristal et les conditions de température et d’humidité pendant sa croissance. Par exemple les dendrites (en forme d’étoile) grandissent principalement entre -22 et -10 °C à des valeurs d’humidité élevées (Figure 5). Par conséquent, en connaissant le profil de température et d’humidité (p.ex. avec un radiosondage), on peut déterminer la plage d’altitude à laquelle le cristal a grandi à partir de sa morphologie au niveau du sol. Le diagramme de la Figure 5 a été pleinement exploité dès 1999 par Kenneth G. Libbrecht, qui a créé une librairie de photos de cristaux fabriqués de manière contrôlée en laboratoire. Le principe est assez simple : partir d’un embryon de cristal et y apporter de l’air humide tout en contrôlant la température et l’humidité pour directement influencer la forme. Une vidéo de ce processus est présentée dans la Figure 6. Libbrecht décrit cela comme une nouvelle forme de sculpture sur glace, où il s’agit de jouer avec les contraintes physiques pour créer des cristaux toujours plus fantastiques. Découvrez cela sur snowcrystals.com.

Affichage aggrandi: Figure 5 : Le diagramme morphologique des cristaux de glace résultant des travaux de Nakaya (1954). La forme des cristaux dépend de la température (axe horizontal) et de l’humidité (axe vertical, sursaturation par rapport à la glace). La ligne noire représente la saturation par rapport à l’eau liquide : en dessus de cette ligne, il y a donc de l’eau liquide surfondue.
Figure 5 : Le diagramme morphologique des cristaux de glace résultant des travaux de Nakaya (1954). La forme des cristaux dépend de la température (axe horizontal) et de l’humidité (axe vertical, sursaturation par rapport à la glace). La ligne noire représente la saturation par rapport à l’eau liquide : en dessus de cette ligne, il y a donc de l’eau liquide surfondue.
Source : Libbrecht (2005).

Ne manquez pas le 2ème blog de cette série, dans lequel nous présenterons en détail les processus de déposition de vapeur, d’agrégation et de givrage et verrons comment les conditions météorologiques peuvent les influencer.

Références

Bentley, W. (1902), Studies among the snow crystals during the winter of 1901-2, with additional data collected during previous winters, Annual Summary of the Monthly Weather Review, pp. 1–33. Disponible sous : http://siarchives.si.edu/sites/default/files/pdfs/WAB_Snow_1902.pdf

Faherty, Anna. "Thomas Harriot: A Lost Pioneer." +Plus Magazine ... Living Mathematics, 2009, https://plus.maths.org/content/thomas-harriot-lost-pioneer, accédé le 19 novembre 2021.

Gehring, J. (2021), Leveraging Meteorological Radars to Investigate the Influence of Atmospheric Dynamics on Snowfall Microphysics, PhD thesis, EPFL, doi:10.5075/epfl-thesis-8588.

Kobayashi, T. (1961), The growth of snow crystals at low supersaturations, The Philosophical Magazine: A Journal of Theoretical Experimental and Applied Physics, 6(71), 1363–1370, doi: 10.1080/14786436108241231.

Libbrecht, K. G. (2005), The physics of snow crystals, Reports on Progress in Physics, 68(4), 855, doi: 10.1088/0034-4885/68/4/R03.

Nakaya, U. (1954), Snow Crystals: Natural and Artificial, 1st edition ed., Harvard University Press.

Commentaires (4)

  1. Claude Guignard, 20.11.2021, 01:36

    Il s'agit ici de la formation des flocons de neige à 6 branches. Que personne ne voit puisqu qu'elle a .ieu dans
    les airs sauf expériences de laboratoire. Lorsque j'étais ga min nous regardions fascinés la glace se former sur les vitres de la cuisine , mouillées par condensation, en hiver. C'était dans le Jura. D'immenses feuilles de fougères se formaient à toute vitesse et finissaient par recouvrir toute la vitre, de bas en haut. Je ne sais plus si on retrouvait les éléments hexagonaux. Ce n'etait pas de la simple eau gelée mais il s'etait formé un magnifique dessin de cristaux de glace..

  2. Guy, 19.11.2021, 22:06

    Bonjour, c’est fascinant les explications, merci. Un résumé en deux lignes ? C’est la forme de la molécule d'eau qui nous permet d'expliquer la présence de six branches ou de six colonnes.

  3. Martin, 19.11.2021, 16:24

    Bonjour, à quand la neige en plaine

    1. MétéoSuisse, 19.11.2021, 16:47

      Bonjour, il n'y a pas de chutes de neige en vue en plaine à des échéances raisonnables en terme de prévisions (~7 jours).