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Microphysique de la neige (2/3) : processus principaux

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Savez-vous comment se forme un cristal de glace dans un nuage et comment il grandit en flocon de neige ? Après le premier blog sur la microphysique de la neige de vendredi, nous proposons de répondre à ces questions dans ce deuxième article en présentant les principaux mécanismes de croissance d’un flocon de neige, de sa formation dans les nuages, à sa chute jusqu’au sol.

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Pour rappel, dans notre premier blog sur la microphysique de la neige, nous avons présenté un aperçu historique de la recherche sur les flocons de neige en présentant notamment les observations et hypothèses de Kepler et Descartes sur la symétrie hexagonale des cristaux de glace.

La Figure 1 résume les principaux processus de microphysique de la neige dans un nuage à des températures inférieures à 0 °C et qui contient à la fois de la vapeur d’eau, de l’eau liquide et de la glace (nuage en phase mixte). Vous vous demandez probablement : comment peut-on avoir de l’eau liquide à des températures en dessous de 0 °C ? Le processus de solidification ne se fait pas spontanément à des températures supérieures à –38 °C: une gouttelette d’eau liquide a besoin d’entrer en contact avec une surface solide pour initier sa congélation. En attendant, elle peut rester à l’état liquide jusqu’à des températures de –38 °C. C’est un état thermodynamique instable : la gouttelette est à l’état liquide en dessous de son point de congélation et n’attend qu’une petite perturbation pour se solidifier. On parle alors d’eau surfondue quand on a de l’eau liquide en dessous de 0 °C.

Nucléation

La formation d’un cristal de glace dans un nuage se fait par nucléation (➀, Figure 1), c’est-à-dire la création de petits germes de glace à partir de la phase liquide ou gazeuse. Pour des températures inférieures à –38 °C, les gouttelettes d’eau surfondues se solidifient spontanément en petits cristaux, c’est ce qu’on appelle la nucléation homogène (a, Figure 1). A des températures supérieures à -38 °C, c’est grâce aux aérosols - de petites particules solides en suspension dans l’atmosphère (p.ex. issues de la combustion d’énergies fossiles, des volcans, particules de sels ou même organiques) - que la nucléation se produit. En effet, les aérosols réduisent la barrière énergétique nécessaire à la nucléation en offrant une surface solide sur laquelle les germes de glace peuvent se former : c’est la nucléation hétérogène (b, Figure 1). Elle peut se faire soit par déposition de vapeur sur l’aérosol (b1, Figure 1) ou par contact de l’aérosol avec une gouttelette d’eau surfondue (b2, Figure 1), ce qui conduit à sa solidification. Sans les aérosols, il serait beaucoup plus difficile de former des nuages et des précipitations.

Déposition de vapeur

Une fois notre embryon de glace formé par nucléation, il va grandir par déposition de vapeur (➁, Figure 2), c’est-à-dire le passage direct de molécules d’eau sous forme gazeuse à solide. La forme du cristal dépend de la température et de l’humidité. Cette relation est représentée dans la Figure 2. En général, plus l’humidité est élevée, plus la forme du cristal est complexe. Par exemple, les cristaux grandissent en forme d’étoile (dendrites) pour des humidités élevées et pour des températures entre –10 et –22 °C. Un cristal grandit à partir de ses extrémités, là où le gradient de vapeur est le plus élevé. Cela veut dire qu’en grandissant, le cristal devient de plus en plus allongé, ce que l’on peut bien observer dans l’animation de la Figure 3.

Agrégation

Lorsque des cristaux de glace entrent en collision, ils peuvent s’agglomérer pour former un agrégat de plusieurs cristaux : c’est le processus d’agrégation (➂, Figure 1). La plupart des flocons de neige que vous observez tomber sont des agrégats, il est plus rare d’observer des cristaux isolés. Si vous avez cette chance, essayez d’identifier sa forme et d’en déduire sa température de formation à l’aide de la Figure 1. Deux étapes sont nécessaires à l’agrégation : la collision et le « collage » des cristaux. La collision se produit naturellement lors de la chute des cristaux, car leur forme, taille et densité déterminent leur vitesse de chute : les cristaux qui tombent plus vite peuvent ainsi rattraper les plus lents et s’agréger entre eux. Un autre phénomène peut augmenter la probabilité de collision entre cristaux : la turbulence. Les conditions météorologiques lors de chutes de neige sont souvent propices à des vents turbulents qui peuvent intensifier le phénomène d’agrégation. Comme l’agrégation permet de collecter des petits cristaux en un plus gros flocon de neige qui tombe plus vite, cela a tendance à intensifier les précipitations (la même quantité de neige va tomber plus vite). La turbulence peut donc conduire à une intensification des chutes de neige.

Parmi les facteurs qui influencent le « collage » des cristaux entre eux, on peut nommer principalement leur forme et la température. Certaines formes de cristaux favorisent ce collage, c’est le cas des dendrites (en forme d’étoile) dont les branches ont tendance à s’encastrer l’une dans l’autre. A l’inverse, les cristaux en forme de colonnes ou de plaquettes ont plutôt tendance à rebondir après collision ou même à se briser en plusieurs éclats de cristaux. L’effet de la température sur l’efficacité de collage de la neige est connu de tout le monde : il est plus facile de former des boules de neige avec une neige mouillée, ce qui est le cas pour des températures proches de 0 °C. En résumé, les cristaux en forme de dendrites et/ou des températures proches de 0 °C favorisent le collage après collision. Comme les dendrites grandissent à des températures entre –10 et –22 °C (Figure 2), on peut dire que l’agrégation est la plus efficace pour cet intervalle de température et autour de 0 °C. C’est d’ailleurs à des températures de –10 à –22 °C que se forment les agrégats qui composent la neige poudreuse et légère tant appréciée des skieurs de hors-piste, alors que quand on se rapproche de 0 °C, la neige devient plus lourde et mouillée.

Givrage

Nous avons mentionné au début qu’à des températures supérieures à –38 °C, les gouttelettes d’eau peuvent rester liquides tant qu’elles n’entrent pas en contact avec une surface solide. Si elles entrent en contact avec un aérosol, elles congèlent pour former un petit cristal de glace par nucléation hétérogène. Mais que se passe-t-il si elles entrent en collision avec un flocon de neige ? Elles vont également congeler à la surface du flocon : c’est le processus de givrage (➃, Figure 1). Vous avez probablement déjà observé du givre accumulé à la surface d’un sapin ou d’un poteau comme dans la Figure 4 ? Cette masse de givre est la matérialisation de l’eau liquide surfondue qu’on retrouve dans un nuage en phase mixte. Ce qu’on observe pour le sapin de la Figure 4 est également vrai pour un flocon de neige : à mesure que le givre s’accumule à la surface, on ne parvient presque plus à identifier les branches du sapin. La Figure 5c illustre cela pour un flocon de neige : plus le degré de givrage est élevé (de gauche à droite), plus il est difficile d’identifier la forme qu’avait le flocon de neige. A l’extrême, on obtient un graupel, aussi appelé neige roulée, qui est un flocon complètement givré.

Le givrage permet de collecter les gouttelettes d’eau surfondues et donc augmente la quantité de neige qui tombe, car sinon ces gouttelettes seraient restées suspendues dans le nuage. Des études ont montré que le givrage était responsable pour 30 à 60 % de la quantité de neige fraîche durant différentes chutes de neige à travers le monde (Moisseev et al., 2017, Mitchell et al., 2020). Il est donc important de bien comprendre le givrage, afin d’en tenir compte correctement dans les modèles de prévision du temps, car cela a un impact direct sur les quantités de neige prévues. Un autre effet du givrage, c’est qu’il augmente la densité des flocons en remplissant d’abord les espaces vides avant que le givre ne s’accumule à la surface. Pour cette raison, la vitesse de chute d’un flocon augmente avec son degré de givrage. D’ailleurs, un graupel tombe plus de deux fois plus vite qu’un flocon non-givré de la même taille. Nous verrons dans le troisième blog de cette série, que cette caractéristique peut permettre d’identifier le givrage dans les données des radars Doppler.

Quelles sont les conditions favorables au givrage ? Bien qu’en théorie le givrage puisse être observé jusqu’à des températures de –38 °C, il est le plus efficace entre –12 et 0 °C (Kneifel et Moisseev, 2020). Pour que le givrage soit significatif, il faut beaucoup de gouttelettes d’eau surfondues. Les courants ascendants sont particulièrement efficaces pour produire de l’eau surfondue, car ils transportent rapidement de l’humidité verticalement jusqu’à condensation en gouttelettes d’eau.

En conclusion, les conditions météorologiques favorables pour l’agrégation et le givrage, et donc pour des chutes de neige intenses, sont : de la turbulence, des températures entre -20 et 0 °C et des courants ascendants. Mais quelles sont les conditions qui peuvent diminuer la quantité de neige ? Réponse au paragraphe suivant.

Sublimation

Lorsque des flocons de neige tombent dans une couche d’air sec, ils vont commencer à sublimer (c.à.d. passer directement de l’état solide à gazeux, ➄, Figure 1). C’est en somme le processus inverse de la déposition de vapeur qui a initialement fait grandir les flocons de neige. La première conséquence est la diminution de la quantité de neige qui tombe, car une partie se sera transformée en vapeur d’eau dans l’atmosphère. Cela peut arriver lorsque des chutes de neige ont lieu avec du foehn, ce qui arrive parfois dans les Alpes par exemple. La deuxième conséquence est le refroidissement de l’air environnant par consommation de chaleur latente. En effet, lors d’un changement de phase, de l’énergie est soit consommée, soit dégagée pour rompre/former les liaisons entre les molécules. C’est pour cette raison que la transpiration permet de refroidir notre corps : les gouttelettes d’eau à la surface de votre peau vont consommer de l’énergie en s’évaporant et donc vous refroidir. Il se passe la même chose avec nos flocons de neige qui subliment : ils consomment de l’énergie à l’air environnant, ce qui le refroidit. Cela peut conduire à une baisse de la limite pluie-neige par effet d’isothermie, phénomène expliqué dans ce blog.

Résumé

Récapitulons rapidement le parcours de notre flocon de neige (Figure 1) : après nucléation d’un germe de glace au sommet du nuage (1), notre cristal grandit par déposition de vapeur (2). Une fois qu’il est assez grand pour tomber, il peut entrer en collision avec d’autres cristaux qui peuvent rester collés, formant ainsi un agrégat (3). En poursuivant sa chute, il peut collecter des gouttelettes d’eau surfondues qui vont congeler à sa surface : c’est le givrage (4). Finalement, s’il tombe dans une couche d’air sous-saturée en humidité, il va diminuer en taille, voire complètement se transformer en vapeur d’eau : c’est la sublimation (5).

Ne manquez pas le dernier blog de cette série sur la microphysique de la neige qui expliquera comment on peut mesurer ces processus dans l’atmosphère grâce à des radars météorologiques et des instruments in situ.

Émission CQFD de la RTS

L’épisode du 17 janvier 2022 de l’émission CQFD de la RTS explique très bien certains concepts expliqués dans ce blog.