Chimie

La féerie des flocons de neige

Kalle Kortelainen/Unsplash, Caltech/Kenneth Libbrecht, Jon Nelson/ storyofsnow.com

Les cristaux dont sont constitués les flocons de neige traduisent un phénomène naturel fascinant: ce sont véritablement de petits miracles de beauté ! Examinés au microscope, ces objets translucides laissent entrevoir d’extraordinaires motifs architecturaux toujours différents et ce, étant donné que leur croissance a eu lieu, au cours de leur chute dans l’air, sous des conditions météorologiques continuellement changeantes. Il ne faut pas les confondre avec le grésil ou les grêlons, qui ne sont, respectivement, que de la pluie congelée ou des grains plus ou moins massifs de glace

À gauche: photographies prises par Kenneth Libbrecht (photographe américain de renommée internationale), des cristaux de glace que l’on retrouve sur…

… les timbres-poste (à droite) émis en 2006 par les services postaux des États-Unis.

Depuis la plus haute Antiquité, les Chinois avaient remarqué l’étonnante symétrie
hexagonale des cristaux de glace, laquelle est due ‒ on le sait maintenant ‒ à
la disposition particulière des molécules d’eau reliées à l’état solide par des
ponts hydrogène (voir illustration ci-contre).

Lorsque des molécules d’eau s’assemblent à l’état solide, elles s’agencent en un réseau de tétraèdres dont chaque sommet (centré sur chacune des molécules particulières) est une nouvelle entité H₂O. En comparaison avec le mouvement aléatoire des molécules d’eau à l’état liquide et, a fortiori, à l’état gazeux, ces mêmes molécules se positionnent ainsi en phase solide de manière parfaitement ordonnée sous forme d’hexagones plissés, laissant donc entrevoir une symétrie d’ordre 6. Et c’est cette symétrie au niveau microscopique qui ressort finalement à l’échelle macroscopique.

En Europe, Johannes Kepler fut le premier à reconnaître la «neige sexangulaire» dès 1611. En 1635, René Descartes esquissa divers cristaux hexagonaux de glace, parmi lesquels des spécimens insolites. Ensuite, avec l’avènement du microscope, Robert Hooke (en 1665), puis, bien plus tard, William Scoresby (en 1820) et Doi Toshitsura (en 1832), réalisèrent divers dessins assez artistiques des cristaux qu’ils avaient pu observer, lesquels présentaient les ramifications les plus extraordinaires. L’étape suivante consista à réaliser des milliers de photographies de ces objets, à les identifier et à les classer en divers types cristallins pour enfin publier le tout sous la forme de superbes livres, ce que firent Wilson Bentley (avec William Humphreys en 1931), Ukichiro Nakaya (en 1954) et tout récemment (en 2008), le grand spécialiste mondialement reconnu, Kenneth Libbrecht.

Naissance et développement des cristaux de glace: l’effet Bergeron

En 1936, le météorologue suédois Tor Bergeron (1891-1977) formula une explication logique justifiant la croissance des cristaux de glace. Selon lui, à l’endroit où un nuage atteint des températures assez négatives, la plupart des gouttelettes d’eau se trouvent en état de surfusion tandis que des molécules d’eau à l’état de vapeur sursaturante réussissent à se congeler ‒ sans passer par l’état liquide ‒ en s’agglomérant autour de «particules» (typiquement des grains de poussière) propices à la condensation solide. Ces minuscules germes de glace traduisent ainsi la naissance de cristaux (nucléation), lesquels apparaissent généralement sous la forme d’un prisme hexagonal (1). Des transferts rapides ‒ au profit desdits cristaux ‒ de molécules d’eau résultant de l’évaporation des gouttelettes en surfusion interviennent ensuite, ce qui assure la croissance cristalline, toujours par dépôts en phase vapeur (2). Ce faisant, la masse de ces cristaux augmente, accélérant de la sorte leur chute (précipitation) vers des zones dont la température s’élève progressivement. Bref, la vapeur d’eau, en passant directement à l’état de glace, alimente véritablement ces structures cristallines. Et ces cristaux de glace finissent généralement par s’agglutiner en flocons (coalescence), lesquels atteignent ensuite le sol dans l’état où ils sont si la température y est toujours inférieure à 0° C.

Divers motifs cristallins auxquels peut aboutir le développement du minuscule prisme hexagonal primitif (à l’extrême gauche).

Il est dès lors aisé d’admettre que durant leur croissance, et donc leur chute gravitationnelle, les paramètres atmosphériques (taux d’humidité, pression, champ électrique, vent et surtout température) ne cessent de changer, ce qui induit un développement cristallin selon des modalités diverses au niveau des facettes du prisme primitif, bref l’apparition d’arrangements symétriques d’une complexité infinie. Voilà pourquoi aucun cristal ne ressemble jamais à un autre ! Il existe d’ailleurs une Association internationale des sciences cryosphériques (IACS) qui les répertorie en diverses catégories d’après leurs caractéristiques morphologiques (3). Outre les splendides formes étoilées [dont les arborescences (dendrites) les font parfois ressembler à de la dentelle] que l’on peut admirer ci-dessous ‒ et qui se forment préférentiellement vers ‒15° C ‒, les cristaux de glace sont susceptibles d’adopter d’autres structures selon l’environnement associé à leur croissance. Parmi ces variantes, on retiendra surtout les plaquettes ainsi que les colonnes prismatiques (les faisant ressembler à un crayon), voire des prismes droits à base triangulaire (3 des 6 facettes latérales «s’atrophiant» au profit des autres):

Cristal de glace insolite observé (par Eric Erbe et Chris Pooley) avec un microscope électronique à balayage, ce qui lui confère un aspect quasi tridimensionnel. Il se présente sous la forme d’une courte colonne prismatique coiffée par deux plaquettes recouvertes de givre.

Métamorphoses de la neige

Comme on peut s’y attendre, l’évolution de la neige ne s’arrête pas à son point de chute. Ce matériau se métamorphose continuellement sous les effets conjugués des paramètres environnants, tels le vent ou la pluie. Poudreuse au départ ‒ et laissant entrevoir des structures géométriques généralement parfaites ‒, la neige se remodèle en se laissant recouvrir de petites vésicules de givre, ce qui en fait de la «neige roulée» dans laquelle on peut encore distinguer l’aspect du cristal d’origine. Au fil des jours, ladite neige peut se transformer en grains fins sur lesquels se développent ensuite des facettes planes, la rendant ainsi propice aux avalanches. En revanche, si elle s’humidifie sous l’action du Soleil, ses grains peuvent s’arrondir et faciliter la glisse. Il arrive également parfois qu’à la fin d’une belle journée, cette neige se transforme en gadoue, laquelle peut devenir du verglas si elle regèle ! Enfin, n’oublions pas qu’en haute montagne, l’accumulation de neige qui se réchauffe et se refroidit selon une alternance quotidienne donne lieu à la formation de glaciers, c’est-à-dire à des masses de glace animées de mouvements lents. Mais ceci est une autre histoire !

⁽¹⁾ Dont les facettes basales (supérieure et inférieure) sont des hexagones, alors que les 6 facettes latérales sont des rectangles.

⁽²⁾ Ceci se produit dans les zones du nuage où la valeur ambiante de la tension de vapeur en eau se situe entre la tension de vapeur saturante de l’eau liquide et celle, plus faible, de la glace. Bref, il s’agit d’un environnement sous-saturé pour l’eau liquide mais sursaturé pour la glace, ce qui explique l’évaporation rapide de l’eau liquide et sa déposition concomitante sur l’ébauche cristalline.

⁽³⁾ Cette classification n’en demeure pas moins limitée car chaque cristal de glace vit sa propre histoire.