Comment se forme un flocon de neige ?

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réponse simple

Réponse simple :

Dans l’atmosphère se trouvent de nombreuses particules en suspension appelées aérosols. Il peut s’agir de toutes sortes de substances, comme du pollen, des poussières et des produits chimiques9.

Lorsque de la vapeur d’eau atmosphérique entre en contact avec l’un de ces aérosols, elle se condense autour de celui-ci et forme ainsi une petite gouttelette. Ce processus est à la base de la formation des nuages9.

 

Les bateaux et les avions produisent des particules qui engendrent des trainées nuageuses
Les bateaux et les avions produisent des particules qui engendrent des trainées nuageuses (source)

Si la température est suffisamment basse, la vapeur condense directement sous forme de glace sur ces aérosols15. Le glaçon grandit rapidement à mesure que de nouvelles molécules d’eau se déposent à sa surface, donnant ainsi naissance à un cristal de plus en plus grand que l’on nomme flocon de neige.

 

Animation de croissance d'un flocon
Animation de croissance d'un flocon (source)

La forme finale du flocon dépend de nombreuses variables, notamment de la température et du taux d’humidité13. L’icône du flocon en étoile est sans doute la morphologie la mieux connue, mais ce n’est pas la plus courante. Il existe en effet des formes plus simples, comme des colonnes ou des plaquettes, mais la grande majorité des flocons sont plutôt difformes et asymétriques1. La structure moléculaire de la glace étant hexagonale, les flocons possèdent par contre tous six côtés, sauf rare exception6.

 


Une sélection de flocons aux formes joliment symétriques (agrandir l'image)

Comme la croissance d’un flocon est facilement perturbée par les conditions externes, il existe une incroyable diversité de morphologies différentes, c’est pourquoi on peut dire que chaque flocon est unique7.

 

Dans la neige fraichement tombée, les plus gros flocons sont encore nettement visibles


Malgré l'énorme quantité de flocons compris dans un banc de neige, il est certain que chacun d'eux est unique (agrandir l'image)

Contrairement à certaines idées reçues, les pensées et les émotions humaines n’ont par contre pas la moindre influence sur ce processus de cristallisation11 et 12.

 

réponse avancée

Réponse avancée :

Dans l’atmosphère se trouvent de nombreux aérosols : de petites particules en suspension dont la nature peut être organique, chimique ou minérale.

Les aérosols les plus volumineux (supérieurs à 1 micron) regroupent généralement des fragments de roches, des cendres, du sel marin et des dérivés biologiques (pollens, spores, bactéries,...), alors que les plus petites particules sont plutôt composées de produits chimiques et de différents métaux (sulfate, nitrate, fer, composés carbonés,…)9.

Dans certains cas, lorsque de la vapeur d’eau atmosphérique entre en contact avec ces aérosols, elle se condense autour de ceux-ci et forme ainsi de petites gouttelettes. Les particules engendrant ce processus sont alors nommées des noyaux de condensation (CCN) et sont à la base de la formation des nuages9.

 

Les bateaux et les avions produisent des particules qui engendrent des trainées nuageuses
Les bateaux et les avions produisent des particules qui engendrent des trainées nuageuses (source)

Lorsque la température est suffisamment basse, les molécules d’eau s’amalgament directement sous forme de glace sur ces aérosols, qui sont dans ce cas appelés des noyaux glaçogènes (IN)15. Les flocons ne sont donc pas des gouttes de pluie gelées, mais de la vapeur d’eau sublimée13.

Certains de ces noyaux glaçogènes, comme l’iodure d’argent et la bactérie Pseudomonas syringae14, sont particulièrement efficaces car leur structure moléculaire est proche de celle de la glace et peut donc aisément servir d’amorce16.

 

Certaines bactéries phytopathogènes produisent des protéines amorçant la formation de glace
Certaines bactéries phytopathogènes produisent des protéines amorçant la formation de glace (source)

Chaque flocon de neige dispose ainsi en son centre de l’une de ces particules. La vapeur d’eau située à proximité du noyau glaçogène va progressivement s’amasser autour de celui-ci et être intégrée au réseau cristallin que constitue la glace. Le flocon grandit alors petit à petit sous l’apport des nouvelles molécules.

 

Animation de croissance d'un flocon
Animation de croissance d'un flocon (source)

Habituellement, un flocon peut mettre entre dix minutes et une heure pour se former complètement10. Durant ce laps de temps, sa croissance est fortement influencée par les conditions extérieures et les aléas du milieu.

Il y a fondamentalement deux paramètres qui entrent en jeu dans la formation d’un flocon : le nombre de molécules d’eau apportées (vitesse de diffusion) et la facilité qu’elles ont à s’intégrer dans le réseau cristallin (vitesse d’adhérence)1. Tous les facteurs externes et internes pouvant influencer ces deux phénomènes ont donc un impact direct sur la forme et la vitesse de croissance du flocon.

 

La formation d'un flocon est régie par une combinaison des vitesses de diffusion et d'adhérence
La formation d'un flocon est régie par une combinaison des vitesses de diffusion et d'adhérence (source - modifiée)

A l’état naturel, les principales conditions qui affectent la morphologie finale sont la température et le taux de sursaturation (excédent d'humidité)13. On peut ainsi établir un diagramme des types de cristaux en fonction de ces deux paramètres :

 

Diagramme des formes de flocons selon la température et la sursaturation
Diagramme des formes de flocons selon la température et la sursaturation (voir en grand) (source - modifiée)

Au fil des années, différentes classifications ont été avancées pour grouper les principales morphologies des flocons8. Les formes les plus simples sont souvent similaires à des prismes, comme des colonnes ou des plaquettes, alors que les formes plus complexes possèdent de multiples ramifications.

 


Une sélection de flocons aux formes joliment symétriques (agrandir l'image)

Il existe de nombreux types de morphologies différentes
Il existe de nombreux types de morphologies différentes (voir en grand) (source)

Cette seconde catégorie regroupe généralement des flocons de plus grande taille, car la formation de branches à un certain stade est plus propice que celle des surfaces17. En effet, lorsqu’une excroissance se forme, la vapeur d’eau doit parcourir moins de chemin pour s’y agglomérer que pour atteindre les surfaces planes. La proéminence croît alors plus rapidement, formant les embranchements des fameux flocons « en étoile » appelés dendrites. On appelle ce phénomène l’instabilité de Mullins-Sekerka2.

 

Formation des branches des flocons de neige (dendrites)
La concentration de vapeur d'eau est plus importante vers les extrémités que les surfaces

L'instabilité de Mullin-Sekerka provoque l'émergence de branches
L'instabilité de Mullin-Sekerka provoque l'émergence de branches
(source)

Quelle que soit sa forme finale, un flocon dispose généralement de six facettes analogues. Ce fait est dû à la structure moléculaire de la glace, qui s’organise sous l’effet des forces électrostatiques en un treillis hexagonal 6.

La structure hexagonale de la glace régit la forme fondamentale du flocon
La structure hexagonale de la glace régit la forme fondamentale du flocon
(source - modifiée)

La plupart des flocons sont toutefois loin d’être parfaitement symétriques6 et 12, car la faiblesse des liaisons intermoléculaires et la diversité des conditions subies provoquent des réarrangements modifiant localement la structure du cristal 10. Comme chaque flocon possède en moyenne 1018 molécules d’eau, le nombre d’organisations potentielles est incroyablement élevé, c’est pourquoi il est pratiquement impossible d’en trouver deux rigoureusement identiques, notamment dans les formes complexes 7.

 

En réalité, les flocons sont rarement symétriques
En réalité, les flocons sont rarement symétriques

 

L'image ci-dessous peut permettre d'illustrer l'ensemble du processus de formation d'un flocon :

 

Récapitulatif des différentes étapes de la croissance des cristaux de glace
Récapitulatif de la formation d'un flocon de neige (source - modifiée)

En produisant artificiellement des flocons dans un laboratoire, les différents éléments qui interviennent sur leur croissance peuvent être testés et mesurés plus en détail. Outre la température et l’humidité, la pression, le vent, les produits chimiques et les champs électriques ont également un impact notable sur ce phénomène3 à 5.

Contrairement à certaines idées reçues, les pensées et les émotions humaines n’ont par contre pas la moindre influence sur ce processus de cristallisation11 et 12.

 

A l'aide de champs électriques, on peut modifier la croissance de la glace et des flocons
A l'aide de champs électriques, on peut modifier la croissance de la glace et des flocons
(source)

Dans les nuages, une fois le flocon formé, il s’amalgame avec d’autres cristaux avant de tomber sous l’effet de la gravité en un petit amas appelé neige.

 

Dans la neige fraichement tombée, les plus gros flocons sont encore nettement visibles

Dans la neige fraichement tombée, les plus gros flocons sont encore nettement visibles


Dans la neige fraichement tombée, les plus gros flocons sont encore nettement visibles (agrandir l'image)

Sources

Sources internet

La plupart des informations techniques et des images relatives à cet article sont issues de l'excellent rapport anglophone : The physics of snow crystals, ainsi que du site de l'auteur : Snowcrystals

(1) http://www.its.caltech.edu/~atomic/publist/rpp5_4_R03.pdf (PDF, 41 pages, anglais)

(2) http://www.esi.umontreal.ca/grofnum/recherche/Beaucagep_rapport1/node25.html

(3) http://www.its.caltech.edu/~atomic/snowcrystals/design/design.htm (anglais)

(4) http://www.its.caltech.edu/~atomic/snowcrystals/electric/electric.htm (anglais)

(5) http://www.its.caltech.edu/~atomic/snowcrystals/designer1/designer1.htm (anglais)

(6) http://www.its.caltech.edu/~atomic/snowcrystals/faqs/faqs.htm (anglais)

(7) http://www.its.caltech.edu/~atomic/snowcrystals/alike/alike.htm (anglais)

(8) http://www.its.caltech.edu/~atomic/snowcrystals/class/class.htm (anglais)

(9) http://www.atmosphere.mpg.de/enid/0b2d62c25cba90a5c6083d8a164f0d26,0/2__Particules/-_Propri_t_s_des_particules_1zr.html

(10) http://fr.wikipedia.org/wiki/Neige#Diversit.C3.A9

(11) http://fr.wikipedia.org/wiki/Masaru_Emoto#Critiques et http://en.wikipedia.org/wiki/Masaru_Emoto#Criticism (anglais)

(12) http://www.its.caltech.edu/~atomic/snowcrystals/myths/myths.htm (anglais)

(13) http://www.its.caltech.edu/~atomic/snowcrystals/primer/primer.htm (anglais)

(14) http://www.google.ch/url?sa=t&rct=j&q=gla%C3%A7og%C3%A8nes&source=web&cd=1&ved=0CCYQFjAA&url=http%3A%2F%2Fwww4.paca.inra.fr%2Fpathologie_vegetale%2Fcontent%2Fdownload%2F3073%2F31497%2Fversion%2F1%2Ffile%2FBact%25C3%25A9ries%2Bglacog%25C3%25A8nes.pdf&ei=x5lKT76rOIefOt_S2csN&usg=AFQjCNFaHLqJUx4zlkmlaf7tUtfyfmD6xg&sig2=Yk7zNr0THGLlMk10uorktQ&cad=rja (PDF, 3 pages)

(15) http://www.anelfa.asso.fr/+-noyaux-glacogenes-+.html

(16) http://www.anelfa.asso.fr/+-iodure-d-argent-+.html

(17) http://www.its.caltech.edu/~atomic/snowcrystals/dendrites/dendrite.htm (anglais)

--> voir ici pour les sources bibliographiques

Commentaires   

0 #5 intrascience 26-11-2016 01:15
Citation en provenance du commentaire précédent de Paul Mella :
Bonjour,
Je suis en Premiere S et les flocons de neige sont mon sujet de TPE. sauriez-vous me proposer un moyen simple pour faire pousser des cristaux de neige (flocons ou givre) en laboratoire afin de les observer?
Merci d'avance! :-)

Bonjour Paul,

Je ne suis pas familière avec ce domaine expérimental, mais l'une de mes sources contient des informations exhaustives à ce sujet, vous ne pourrez pas trouver mieux :
- snowcrystals.com/.../...
- its.caltech.edu/.../design.htm (ancienne version du site)
- its.caltech.edu/.../... (un pdf du même auteur, voir le point 3.1)

Je vous invite à contacter directement l'auteur, Kenneth G. Libbrecht, un professeur au Caltech spécialisé dans l'étude des cristaux. Son e-mail est en bas de la page d'accueil du site.

Bonne chance pour votre projet !
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+2 #4 Paul Mella 25-11-2016 22:54
Bonjour,
Je suis en Premiere S et les flocons de neige sont mon sujet de TPE. sauriez-vous me proposer un moyen simple pour faire pousser des cristaux de neige (flocons ou givre) en laboratoire afin de les observer?
Merci d'avance! :-)
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+9 #3 Cyril 23-01-2015 15:06
Citation en provenance du commentaire précédent de :P :
comment avez-vous fait pour pouvoir ajouter une animation?

C'est un GIF...
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