Cristal de glace
Un cristal de glace est une forme spatialement plus ou moins fractalement organisée de molécules d'eau en glace, avec comme base la symétrie hexagonale.
Il résulte de la cristallisation progressive de la vapeur d'eau contenue dans l'air sans passer par la phase liquide, sur un prisme hexagonal initial. La variabilité des formes hautement symétriques obtenues est conditionnée par la température et l'humidité de l'environnement : ce sont des colonnes, des aiguilles, des plaques et des dendrites. Le plus souvent c'est un hydrométéore dont la cristallisation se produit dans les nuages sous le point de congélation ou dans l'air clair à une température inférieure à −20 °C.
En météorologie, les cristaux de glace forment les composantes des nuages de haut niveau et des flocons de neige. Il s'agit également d'une forme de précipitations de surface dans les régions arctiques par temps très froid et ciel dégagé (code Metar : IC). Selon Météo-France et l'organisation météorologique mondiale, il est recommandé d'utiliser poudrin de glace pour nommer ce dernier type de précipitations[1].
Le givre de surface et le givre de profondeur sont aussi des cristaux naturels de glace mais ils ne sont pas des précipitations : on peut les trouver dans le manteau neigeux. Le premier en forme de feuille plate se situe en surface lors de sa formation, en couche mince (en mm). Le second en forme de gobelet creux se situe à la base, en couche épaisse (en cm).
Formation
Dans l'atmosphère, les cristaux de glace ne se formeront spontanément par congélation de la vapeur d'eau que lorsque la température est inférieure à −39 °C et l'air saturé. Si la température est supérieure, il faut un noyau de congélation pour démarrer le processus. Ces noyaux sont des particules ou ions en suspension qui ont des propriétés cristallines très proches de celle de la glace. Ils se retrouvent naturellement en très faible concentration dans l'air, venant des sols, des mers et des poussières volcaniques.
Nuageuse
Lorsque les cristaux se forment dans des nuages sous le point de congélation sans être plus bas que −20 °C, ils le font à partir de noyaux de congélation et augmentent graduellement de taille selon l'effet Bergeron en absorbant la vapeur d'eau environnante, et même les gouttes d'eau en surfusion, pour donner de la pluie ou de la neige plus tard dans la vie du nuage.
Cependant, les nuages de haute altitude, les cirrus, sont formés de cristaux de glace et ne donnent pas de précipitations. Comme la température à cette altitude est très basse, les cristaux ne rencontrent que d'autres cristaux et ne peuvent atteindre une masse suffisante pour tomber dans l'air sous-saturé à l'extérieur du nuage sans se sublimer. Cependant, s'ils rencontrent un nuage plus chaud avant leur dissipation totale, ils peuvent servir de noyaux de départ pour la formation de précipitations.
D'air clair
Les cristaux de glace sont formés dans l'air clair arctique avec ou sans noyau de condensation. Ils tombent au sol ou restent en suspension, formant un type de précipitations très légères qui réduisent cependant fortement la visibilité. Ce phénomène se produit généralement lors d'un apport d'humidité dans un air très sec et stable. Ainsi, si on a une inversion de température avec un mercure sous les −20 °C au sol et plus chaud en altitude, la vapeur d'eau ne peut se diluer et on atteint le point de saturation rapidement. Les quelques noyaux de congélation qui existent dans cet environnement capturent rapidement cette humidité.
Si la température de surface est plus élevée, la vapeur peut rencontrer des gouttelettes surfondues et former du brouillard glacé au lieu de cristaux de glace. Si la concentration de noyau de congélation est très faible, il faudra atteindre des températures plus basses pour voir apparaître les cristaux. Dans les régions très propres comme en Antarctique, ils ne se formeront que vers −25 °C. Sur ce continent où le phénomène est fréquent, on a noté en 1967 dans la région de la station du Plateau que 70 % des précipitations annuelles de 25 mm, en équivalent eau, étaient tombées sous forme de cristaux de glace.
Le code Metar pour ces cristaux de glace, ou poudrin de glace, est IC.
Types
Dans un nuage
Les cristaux de glace qui formeront des flocons de neige prennent différentes formes qui varient en fonction de la température, mais aussi du degré d'humidité[2] :
- de 0 à −4 °C : minces plaques hexagonales[3] ;
- de −4 à −6 °C : aiguilles ;
- de −6 à −10 °C : colonnes creuses ;
- de −10 à −12 °C : cristaux à six pointes longues ;
- de −12 à −16 °C : dendrites filiformes.
Plaquette hexagonale.
Cristaux à six pointes longues.
Colonne creuse surmontée de plaquettes.
Cristal hexagonal avec extensions en dendrites.
IC
Dans le cas des précipitations arctiques, il s'agit de colonnes ou de plaques hexagonales car leur formation est lente due au faible contenu en eau.
Phénomène optique
Les cristaux de glace contenus dans les nuages ou le IC ont des propriétés de diffraction similaire à tout cristal. La lumière du Soleil ou de la Lune passant à travers ceux-ci est décomposée selon ses composantes et on peut voir des halos. Dans le cas des cirrus, le halo est vu lorsque le nuage est entre l'observateur et la source de lumière. Dans le cas du IC, on peut le voir de la même façon ou par réfraction à 180 degrés, c'est-à -dire avec la source de lumière dans le dos de l'observateur.
Ailleurs
Poudrin sur Mars
En 2008, la station météorologique canadienne, embarquée sur l'atterrisseur Phoenix, a détecté de la neige dans son étude du climat martien. L'équipe scientifique qui a analysé les résultats explique que la vapeur d'eau est projetée en altitude pendant la journée pour former, dans la basse atmosphère, des nuages de cristaux de glace. Au cours de la nuit, l'eau précipite dans l'atmosphère pour se transformer en neige. On a comparé ce processus à celui de la formation du poudrin de glace observé dans l'Arctique[4].
Espace
Dans l'espace, au sein d'un nuage interstellaire, le phénomène de tunnel quantique pourrait expliquer l'apparition d'eau, transformée en cristaux de glace dans le froid spatial (et aussi l'apparition de synthèses astrochimiques moléculaires, synthèse d'hydrogène moléculaire et de formaldéhyde potentiellement prébiotique)[5].
Notes et références
- Organisation météorologique mondiale, « Poudrin de glace », Comprendre la météo, Météo-France, (consulté le )
- Philippe Beaucage, « Considération sur la nature des cristaux de neige », Rapport de stage -- Été/Automne 2001, Université de Montréal (consulté le )
- Organisation météorologique mondiale, « Plaque » (consulté le )
- (fr) Adrien, « Phoenix: des indices sur le cycle de l'eau sur Mars », Techno-Science, (consulté le )
- Frank Trixler, « Quantum Tunneling to the Origin and Evolution of Life », Current Organic Chemistry, vol. 17, no 16,‎ , p. 1758–1770 (ISSN 1385-2728, PMID 24039543, PMCID 3768233, DOI 10.2174/13852728113179990083, lire en ligne, consulté le )
Annexes
Bibliographie
- (en) R. Greenler, Rainbows, Halos, and Glories, Milwaukee, Peanut Butter Publishing, 1re éd. (ISBN 978-0-89716-926-4, OCLC 42727201, LCCN 00265409), p. 195 — Référence pour les effets optiques des cristaux de glace en air clair, incluant des photos prises en Antarctique.
- Kenneth Libbrecht, La formation des cristaux de neige, Pour la Science, , p. 32-39.
- (en) U. Radok, R.C. Lile et J.A. Businger (éditeur), Meteorological Studies at Plateau Station, Antarctica, vol. 25, American Geophysical Union, , 39 p. (ISBN 978-0-87590-125-1 et 0-87590-125-5), « A year of snow accumulation at Plateau Station », p. 17-26.
- (en) Kenneth Libbrecht, Ken Libbrecht's Field Guide to Snowflakes, Voyageur Press.
- (en) W. Schwerdtfeger et S. Orvig (éditeur), Climates of the Polar Regions, vol. 14, Amsterdam/London/New York, Elsevier, , 370 p. (ISBN 0-444-40828-2), « The climate of the Antarctic », p. 253-355.
- Manuel des observations météorologiques de surface (MANOBS), Service météorologique du Canada, , 7e éd. (lire en ligne [PDF]).