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Pourquoi les cristaux de neige sont-ils si variés ?

Vous êtes ici : » » Pourquoi les cristaux de neige sont-ils si variés ? ; écrit le: 7 mars 2012 par Hela modifié le 8 janvier 2015

Pourquoi les cristaux de neige sont-ils si variés ?Pourquoi les cristaux de neige sont-ils si variés ?

L’image du cristal de neige en étoile ne reflète que rarement la réalité. Dès la première moitié du vingtième siècle, les travaux du physicien japonais Ukichiro Nakaya ont permis de répartir les cristaux en quatre-vingts grandes catégories, en fonction de leur structure. De nos jours, les nivologues nippons en recensent plus de trois mille. Aiguilles, étoiles, plaquettes, dendrites, colonnes à capuchon, prismes, la diversité des formes des cristaux a de quoi surprendre. Elle résulte de processus subtils dont les mécanismes exacts demeurent encore mystérieux par certains aspects.

Les cristaux  de glace apparaissent et grossissent dans les nuages, lorsque la vapeur d’eau se condense en court-circuitant l’état liquide. Leur morphologie dépend du degré d’humidité de l’air et de la température, qui conditionnent leur rythme de croissance. Dès 1930 Nakaya constate que les cristaux prismatiques simples se forment lorsque l’humidité est faible et la croissance lente, alors que structures plus complexes naissent d’une forte humidité et d’une croissance rapide, les agencements les plus photogéniques apparaissant autour de -15 °C.



Des travaux ultérieurs montreront aussi que les petits cristaux tendent à avoir des formes plus simples que les grands. Par ailleurs, les champs électriques stimulent leur croissance car ils attirent fortement les molécules d’eau, qui sont polaire. Les chercheurs qui étudient actuellement les cristaux, aux fins de mieux comprendre les transformations qui mènent aux avalanches, les font pousser à l’extrémité de fines aiguilles de glace créées sur des fils électrifiés.

Au niveau microscopique, la glace présente un réseau cristallin de type hexagonal, lié à la géométrie coudée des molécules d’eau et à leurs interactions. Cette symétrie hexagonale se retrouve dans la majorité des cristaux. Mais, selon la température et l’humidité, certains présentent des facettes et d’autres des ramifications.

Un cristal qui grossit lentement développe des facettes car certaines surfaces cristallines accumulent l’eau plus rapidement que d’autres. Les molécules s’attachent plus particulièrement aux surfaces arrondies, rugueuses à l’échelle microscopique, car les liaisons intramoléculaires sont plus accessibles. Au bout d’un certain temps, seules subsistent les surfaces planes. Quand ce processus régit la croissance du cristal, celui-ci présente six faces latérales, ou facettes prismatiques, couronnées en haut et en bas de deux facettes basales. Telle est la forme de base des cristaux de petite taille ou à croissance lente. Dans certaines conditions, les molécules d’eau se fixent plus facilement sur les faces latérales et l’on obtient de minces plaquettes de glace. Dans d’autres circonstances, elles s’attachent préférentiellement aux surfaces basales, produisant alors des colonnes en forme de minuscules crayons.

Quand le cristal grandit plus vite, il a tendance à se ramifier. Sous l’effet de l’instabilité dite de Mullins-Sekerka, les molécules d’eau diffusent et les différentes parties du cristal entrent en concurrence pour se les approprier. Si certains endroits du cristal sont plus saillants, par exemple les six arêtes du cristal prismatique de base, les molécules d’eau vont s’y fixer. Ces régions croîtront un peu plus vite et les excroissances tendront à se développer. Des branches latérales pourront germer sur des bosses aléatoires ou des pointes de facettes des bras principaux.

En laboratoire, le contrôle de la température et de l’humidité permet d’alterner les périodes de croissance en branches et en plaquettes, de manière à sculpter des cristaux de neige ayant la forme souhaitée. Au sein des nuages, en revanche, les cristaux en croissance sont ballottés et soumis à d’incessantes fluctuations de température et d’humidité, qui affectent leur développement. Des variations même modestes entraînent des changements importants du mode de croissance. Par ailleurs, compte tenu de la turbulence atmosphérique, deux cristaux n’auront jamais exactement la même trajectoire et ne se trouveront jamais dans des conditions identiques. Il est donc fort peu probable qu’ils soient identiques. Les calculs ont montré qu’il était pratiquement impossible de trouver deux cristaux identiques. Un fermier du Vermont, Wilson A. Bentley, auteur d’un recueil intitulé Snow crystals (cristaux de neige), publié en 1931, a passé plus de quarante ans de sa vie à photographier des cristaux de neige au microscope, sans jamais parvenir  à déceler des jumeaux parfaits

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