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Neige

Introduction

Paysage enneigé au col de Shipka en Bulgarie.
Neige dans le Luberon.

La neige est une forme de précipitation, constituée de glace (La glace est de l'eau à l'état solide.) cristallisée et agglomérée en flocons pouvant être ramifiés d'une infinité de façons. Puisque les flocons sont composés de petites particules, ils peuvent avoir aussi bien une structure ouverte et donc légère qu'un aspect plus compact voisin de celui de la grêle (La grêle est un type de précipitation qui se forme dans des orages particulièrement forts lorsque l'air est très humide et que les courants ascendants sont puissants. Elle prend la forme de billes de glace...). La neige (La neige est une forme de précipitation, constituée de glace cristallisée et agglomérée en flocons pouvant être ramifiés d'une infinité de façons. Puisque les...) se forme généralement par la condensation (La condensation est le nom donné au phénomène physique de changement d'état de la matière qui passe d'un état dilué (gaz) à un état condensé (solide ou liquide). On peut...) de la vapeur () d'eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les organismes vivants connus.) dans les hautes couches de l'atmosphère (Le mot atmosphère peut avoir plusieurs significations :) et tombe ensuite plus ou moins vite à terre (La Terre est la troisième planète du Système solaire par ordre de distance croissante au Soleil, et la quatrième par taille et par masse...) selon sa structure.

Les canons à neige produisent de la neige artificielle, en réalité de minuscules grains proches de la neige fondue. Cette technique est utilisée sur les pistes de ski intérieure, mais aussi dans les stations de sports d'hiver (L'hiver est une des quatre saisons des zones tempérées.) pour améliorer l'état des pistes.

Des études récentes ont montré que certaines bactéries (Les bactéries (Bacteria) sont des organismes vivants unicellulaires procaryotes, caractérisées par une absence de noyau et d'organites. La plupart des...) (dites glaçogènes ) jouent un rôle important dans la formation des cristaux de glace ou de neige. Ces bactéries sont normalement épiphytes (pseudomonas sp. par exemple) mais peuvent parfois être pathogènes. Elles sont identifiées dans de nombreux échantillons de neige en France, en Amérique (L’Amérique est un continent séparé, à l'ouest, de l'Asie et l'Océanie par le détroit de Béring et l'océan Pacifique; et à...) du Nord (Le nord est un point cardinal, opposé au sud.) et en Antarctique (L'Antarctique (prononcé [ɑ̃.taʁk.tik] Écouter) est le continent le plus méridional de la Terre. Situé au pôle Sud, il est entouré de...).

Aspects physiques

Historique

Kepler fut l’un des premiers scientifiques à s’intéresser à la formation des flocons. Il rédige en 1611 un traité, L’Étrenne ou la neige sexangulaire. Vers 1930, le japonais Ukichiro Nakaya forme ses propres flocons dans des conditions expérimentales, fixant la température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et étudiée en thermométrie. Dans la vie courante, elle est reliée aux...) et la saturation en eau. Il s’aperçoit alors que la forme des cristaux dépend de ces deux paramètres. En 1935, Tor Bergeron développe la théorie (Le mot théorie vient du mot grec theorein, qui signifie « contempler, observer, examiner ». Dans le langage courant, une théorie est une idée ou une connaissance...) de croissance des flocons à partir de la cannibalisation des gouttes d’eau surfondues appelée l’effet Bergeron.

Diversité

Cristaux de neige, photographiés par Wilson Bentley (1865-1931)

Dans un nuage (Un nuage est une grande quantité de gouttelettes d’eau (ou de cristaux de glace) en suspension dans l’atmosphère. L’aspect d'un nuage dépend de la lumière qu’il reçoit, de la nature, de...) très froid (Le froid est la sensation contraire du chaud, associé aux températures basses.), la vapeur d’eau se condense directement en cristaux de glace sur des particules en suspension ( Le fait de suspendre des particules En chimie, la suspension désigne une dispersion de particule. En géomorphologie, la suspension est un mode de transport des sédiments. ...) (poussières, fumée…). S'ils ne rencontrent que des couches d’air (L'air est le mélange de gaz constituant l'atmosphère de la Terre. Il est inodore et incolore. Du fait de la diminution de la pression de l'air avec l'altitude, il...) de température inférieure à 0 °C pendant leur chute, les cristaux s’agglutinent et se combinent pour former des flocons de plus en plus larges. L’assemblage de ces cristaux dépend essentiellement des températures. La seule caractéristique commune à tous les cristaux est la structure hexagonale liée à l’angle (En géométrie, la notion générale d'angle se décline en plusieurs concepts apparentés.) de 120° de la molécule (Une molécule est un assemblage chimique électriquement neutre d'au moins deux atomes, qui peut exister à l'état libre, et qui représente la plus petite...) d’eau. Elle provient d’une minimisation de l’énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.) potentielle chimique du cristal (Cristal est un terme usuel pour désigner un solide aux formes régulières, bien que cet usage diffère quelque peu de la définition scientifique de ce mot. Selon l'Union internationale de cristallographie, tout...).

La forme des cristaux varie en fonction de la température, mais aussi du degré (Le mot degré a plusieurs significations, il est notamment employé dans les domaines suivants :) d’humidité :

  • de 0 à -4 °C : minces plaquettes hexagonales ;
  • 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.

La densité (La densité ou densité relative d'un corps est le rapport de sa masse volumique à la masse volumique d'un corps pris comme référence....) de la neige fraîchement tombée est très variable (En mathématiques et en logique, une variable est représentée par un symbole. Elle est utilisée pour marquer un rôle dans une formule, un prédicat ou un algorithme. En statistiques, une...). Cette variation dépend du type de cristaux favorisés par la température dans la couche où la neige se forme, et du vent (Le vent est le mouvement d’une atmosphère, masse de gaz située à la surface d'une planète. Les vents les plus violents connus ont lieu sur...) qui est un facteur limitatif à leur croissance. De plus, la température de l'atmosphère variant avec l'altitude (L'altitude est l'élévation verticale d'un lieu ou d'un objet par rapport à un niveau de base. C'est une des composantes géographique et biogéographique qui explique la répartition de la...), on a généralement une variété de types de flocons. Finalement, la friction près du sol par le déplacement ( En géométrie, un déplacement est une similitude qui conserve les distances et les angles orientés. En psychanalyse, le déplacement est mécanisme de défense déplaçant la valeur, et...) dû au vent va briser certains cristaux et ainsi modifier le rapport entre la masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un corps : l'une quantifie l'inertie du corps (la masse inerte) et l'autre la contribution du corps à la...) des flocons et l'air contenu dans la congère.

Les statistiques (La statistique est à la fois une science formelle, une méthode et une technique. Elle comprend la collecte, l'analyse, l'interprétation de...) donnent une moyenne (La moyenne est une mesure statistique caractérisant les éléments d'un ensemble de quantités : elle exprime la grandeur qu'auraient chacun des membres...) de 110 kg par mètre (Le mètre (symbole m, du grec metron, mesure) est l'unité de base de longueur du Système international (SI). Il est défini, depuis 1983, comme la distance parcourue par la lumière dans le vide...) cube (En géométrie euclidienne, un cube est un prisme dont toutes les faces sont carrées. Les cubes figurent parmi les solides les plus remarquables de l'espace. C'est un des cinq solides de Platon, le seul ayant exactement 6...), avec un écart type (En mathématiques, l'écart type est une quantité réelle positive, éventuellement infinie, utilisée dans le domaine des probabilités pour caractériser la répartition d'une variable...) de 40 kg qui confirme le caractère dispersé de ce critère. Le rapport entre la hauteur (La hauteur a plusieurs significations suivant le domaine abordé.) d'eau dans un nivomètre provenant la masse de neige et la hauteur mesurée au sol de cette neige est ainsi souvent donné comme 1 mm pour 1 cm (rapport 1:10). Cependant, des études canadiennes et américaines montrent que ce rapport varie entre 1:3 (température très élevée) et 1:30 (temps très froid).

Cycle de vie (La vie est le nom donné :) d'un cristal

La formation et l'évolution des cristaux intègrent :

  • Les multiples degrés de liberté d'association chimique des molécules d'eau ; l'expression de ces possibilités est favorisée par la relative lenteur de cristallisation : une dizaine de minutes ( Forme première d'un document : Droit : une minute est l'original d'un acte. Cartographie géologique ; la minute de terrain est la carte originale, au...) à quelques heures (L'heure est une unité de mesure  :). Ceci est à la base de l'extrême diversité des formes créées.
  • Les diverses conditions météorologiques rencontrées entre la formation et la disparition :
    • conditions du niveau de formation, avant précipitation (En météorologie, le terme précipitation désigne des cristaux de glace ou des gouttelettes d'eau qui, ayant été soumis à des processus de condensation et d'agrégation à...)
    • conditions des couches atmosphériques traversées
    • conditions au niveau du sol, s'il est atteint.

La faiblesse des liens entre molécules d'eau rend ces cristaux très sensibles à toute modification de leur environnement (L'environnement est tout ce qui nous entoure. C'est l'ensemble des éléments naturels et artificiels au sein duquel se déroule la vie humaine. Avec les enjeux écologiques...). On peut considérer le cristal de neige comme instable et qu'il doit être en phase (Le mot phase peut avoir plusieurs significations, il employé dans plusieurs domaines et principalement en physique :) de cristallisation pour conserver sa forme, si bien que des recombinaisons se produisent dès que celle-ci s'interrompt. Cette vive sensibilité rend difficile l'observation (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les modifier, à l’aide de moyens d’enquête et d’étude appropriés. Le plaisir procuré explique la...) microscopique des cristaux sans précautions particulières.

Conditions du niveau de formation

Les paramètres des mouvements d'air ascendants conditionnent particulièrement la durée de cristallisation et les possibilités de pénétration dans des couches différentes par leur hygrométrie, température, pression (La pression est une notion physique fondamentale. On peut la voir comme une force rapportée à la surface sur laquelle elle s'applique.), ... À ce niveau, des cristaux peuvent fondre, se sublimer, se combiner, mais aussi se trouver recouverts d'eau en surfusion ; les cristaux se couvrent de nodules d'abord invisibles mais qui peuvent dans certains cas leur donner un aspect de « fleur de mimosa ».

Même si l'air n'est pas ascendant, la résistance qu'il oppose parfois demande l'agglomération (Une agglomération est un ensemble urbain qui repose sur la continuité du bâti. L'agglomération correspond à la ville sur le...) de plusieurs cristaux avant que la précipitation ne se déclenche.

La neige commence sous un nuage cumulonimbus où la température est d'environ 1 à 2 degrés. En tombant, elle se cristallise lorsqu'elle passe une zone de °C ou moins.

Conditions de la précipitation

La turbulence (La turbulence désigne l'état d'un fluide, liquide ou gaz, dans lequel la vitesse présente en tout point un caractère tourbillonnaire : tourbillons dont la taille, la localisation et...) et l'hygrométrie vont en particulier régir la disparition (fonte ou sublimation) des cristaux et des flocons ou au contraire leur agglomération progressive. Des flocons partiellement liquéfiés peuvent également subir une cristallisation brutale à la rencontre d'une atmosphère plus froide ; si le phénomène est massif (Le mot massif peut être employé comme :), on parle de grésil.

La variation des paramètres météorologiques avec l'altitude se caractérise tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) spécialement par la détermination de la fameuse limite pluie/neige.

Conditions de cristallisation au sol

Sous les latitudes tempérées (sol « chaud »), le fort pouvoir isolant (Un isolant est un matériau qui permet d'empêcher les échanges d'énergie entre deux systèmes. On distingue : les isolants électriques, les isolants thermiques, les...) de la neige associé encore à l'albédo (L'albédo est le rapport de l'énergie solaire réfléchie par une surface sur l'énergie solaire incidente. On utilise une échelle graduée de 0 à 1, avec 0 correspondant au noir, pour un corps avec aucune réflexion, et 1 au miroir...) rend possible la création rapide d'un gradient thermique (La thermique est la science qui traite de la production d'énergie, de l'utilisation de l'énergie pour la production de chaleur ou de froid, et des transferts de chaleur suivant...) entre le sol chaud et isolé et la surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a plusieurs acceptions, parfois objet géométrique,...) réfléchissante froide ; il peut atteindre 20 degrés. Or on constate que les cristaux d'une couche de neige, dans un gradient de température, rentrent dans un processus de recristallisation se traduisant par un accroissement de la taille moyenne des cristaux. De ce point (Graphie) de vue (La vue est le sens qui permet d'observer et d'analyser l'environnement par la réception et l'interprétation des rayonnements lumineux.), on considère qu'une épaisseur de quinze centimètres suffit à l'établissement d'un gradient.

Les conditions de cristallisations étant bien différentes de celles de la haute atmosphère, la cristallisation au sol produit des formes nouvelles mais moins élaborées.

Autres conditions au sol

Celles-ci ne peuvent être schématisées ; il suffit de penser à la diversité tant des quantités de neige que des variations météorologiques pour imaginer les innombrables possibilités de dissipation des cristaux. Chaque communauté humaine, en fonction de ses impératifs, dispose d'une culture (La définition que donne l'UNESCO de la culture est la suivante [1] :) propre à décrire les formes typiques de ces éventualités.

Évolution du manteau neigeux

Une neige subite.

Selon le profil de température que doit parcourir le flocon entre sa formation et son arrivée au sol, on aura un ou des types de cristaux favorisés. Lorsque le profil est assez chaud et humide, on aura formation de gros flocons qui emprisonnent peu d'air et donne de la neige très dense. Le rapport entre le nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) de centimètres accumulés dans ce cas et l'eau qu'ils contiennent est très faible, de l'ordre de 4 à 8 mm de neige pour 1 mm d'eau. Par température froide, l'inverse (En mathématiques, l'inverse d'un élément x d'un ensemble muni d'une loi de composition interne · notée multiplicativement, est un élément y tel que x·y = y·x = 1,...) se produit et on peut facilement obtenir un coefficient (En mathématiques un coefficient est un facteur multiplicatif qui dépend d'un certain objet, comme une variable (par exemple, les coefficients d'un polynôme), un espace vectoriel, une fonction de base et ainsi de suite....) de 25:1 pour la neige poudreuse. La moyenne climatologique est de 10:1, soit 1 cm de neige pour 1 millimètre d'eau contenue.

La neige fraîchement tombée est sujette à l'action du vent, surtout si elle est très légère. Ceci donne la poudrerie au Canada, appelée ailleurs chasse-neige (Un chasse-neige est un engin destiné au déneigement, c'est-à-dire à débarrasser la voirie de la neige pour la rendre praticable aux autres véhicules.) élevée, et dans un cas extrême le blizzard. Elle peut se concentrer en dunes nommées bancs de neige (Canada) ou congères (Europe). Ce n'est pas le cas de la neige de printemps, compacte et riche en eau, amenée à fondre sur place. En montagne (Une montagne est une structure topographique significative en relief positif, située à la surface d'astres de type tellurique (planète tellurique, satellites comme la Lune), et faisant...), le vent est à l'origine de corniches qui peuvent piéger les randonneurs.

La neige n'est pas un matériau (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets. C'est donc une matière...) inerte (Inerte est l'état de faire peu ou rien.). Elle est au contraire en constante évolution et ne cesse de se transformer, soumise à l'action de son propre poids (Le poids est la force de pesanteur, d'origine gravitationnelle et inertielle, exercée par la Terre sur un corps massique en raison uniquement du voisinage de la Terre. Elle est égale...) qui la tasse, ainsi qu'aux différences de températures entre le jour (Le jour ou la journée est l'intervalle qui sépare le lever du coucher du Soleil ; c'est la période entre deux nuits, pendant laquelle les rayons du Soleil éclairent le ciel. Son début (par rapport à minuit heure locale) et sa...) et la nuit. Si la pente est raide, le manteau peut devenir instable et générer des avalanches.

La métamorphose d'isothermie

Elle se déroule lorsque le gradient thermique au sein (Le sein (du latin sinus, « courbure, sinuosité, pli ») ou la poitrine dans son ensemble, constitue la région ventrale supérieure du torse d'un animal, et en particulier celle des mammifères qui englobe...) de la couche est faible, inférieur à 5 °C par mètre. À cause des déséquilibres de vapeur saturante, les dendrites se détruisent au profit du centre du cristal. Les cristaux s'arrondissent et leur taille se calibre. On les appelle grains fins. Les contacts ainsi créés entre eux correspondent à la formation de ponts de glace qui soudent les cristaux les uns aux autres. C'est le phénomène de frittage (Bien qu'il n'existe pas de définition du frittage faisant l’unanimité, il peut être décrit comme une consolidation d'un matériau (par exemple une poudre), obtenue en minimisant l’énergie du système grace à un apport d’énergie...). La couche de neige gagne en cohésion et en densité.

La métamorphose de gradient moyen

Elle apparaît quand le gradient thermique au sein de la couche est compris entre 5 et 20 °C par mètre. On observe également un transfert de matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses trois états les plus communs sont l'état solide, l'état liquide, l'état gazeux. La matière occupe de...) par sublimation / congélation (On appelle congélation toutes technique visant à faire passer un produit à l'état solide par des techniques de refroidissement forcé....) mais la direction privilégiée est la verticale (La verticale est une droite parallèle à la direction de la pesanteur, donnée notamment par le fil à plomb.), du bas vers le haut. Les cristaux se transforment en grains à face planes.

La métamorphose de gradient fort

Lorsque le gradient thermique est supérieur à 20 °C par mètre, le flux (Le mot flux (du latin fluxus, écoulement) désigne en général un ensemble d'éléments (informations / données, énergie, matière, ...) évoluant dans un sens commun. Plus précisément le terme est employé dans les domaines...) de vapeur au sein de la couche de neige devient très fort. Après une dizaine de jours, il y a apparition de gobelets, ou givre (Le givre est un dépôt de micro-gouttelettes d'eau surfondue (= en surfusion) sur une surface lorsque la température est sous le point de congélation (0 °C). En effet, l'eau peut rester sous forme liquide...) de profondeur, qui peuvent atteindre plusieurs millimètres de diamètre (Dans un cercle ou une sphère, le diamètre est un segment de droite passant par le centre et limité par les points du cercle ou de la sphère. Le diamètre est aussi la longueur de ce segment. Pour...). Le manteau devient alors très instable, se trouvant sur un véritable roulement ( En mécanique, le roulement, et plus précisément le roulement sans glissement, est le mouvement d'un corps qui reste en contact avec une surface d'appui sans glisser, qui s'entend généralement pour un corps possédant une symétrie de révolution...) à billes.

La métamorphose de fonte

Elle se traduit par l'apparition d'eau liquide (La phase liquide est un état de la matière. Sous cette forme, la matière est facilement déformable mais difficilement...) au cœur du manteau neigeux. Elle est provoquée par une chute de pluie (La pluie désigne généralement une précipitation d'eau à l'état liquide tombant de nuages vers le sol. Il s'agit d'un...) ou un redoux prolongé. Il se forme des agglomérats dits grains ronds (« gros sel ») qui rendent le manteau neigeux très instable.

Le fait d'hydrater la neige ne provoque pas nécessairement sa fonte immédiate.

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