Cette hiver, les neiges dans la partie centrale de la Russie sont plutôt rares. Bien qu'il y ait eu quelques chutes de neige, on aurait pu s'attendre en janvier à des températures plus froides et plus de neige. La grisaille morne et la gadoue désagréable nuisent à la joie que l'on ressent habituellement avec les plaisirs d'hiver. C'est pourquoi Cloud4Y propose d'ajouter un peu de neige à notre vie en parlant de… flocons.
On pense que les flocons de neige n'existent qu'en deux types. Un des scientifiques, parfois appelé le « père » de la physique des flocons, a formulé une nouvelle théorie expliquant la raison de cela. — c'est un homme extraordinaire qui est prêt à quitter le soleil chaud de la Californie du Sud en plein hiver pour se rendre à Fairbanks (Alaska), revêtir une veste chaude et s'installer dans un champ gelé avec une caméra et un morceau de mousse à la main.
Pourquoi ? Il recherche les flocons de neige les plus scintillants, les plus texturés et les plus beaux que la nature puisse créer. D'après lui, les échantillons les plus intéressants ont tendance à se former dans les endroits les plus froids — le fameux Fairbanks et la partie enneigée du nord de New York. Le plus beau neige que Kenneth ait jamais observé est tombé à Cochran, un petit coin du nord-est de l'Ontario, où un léger vent faisait tourbillonner les flocons tombant du ciel.
Captivé par l'élément, Libbrecht examine sa planche de mousse avec la persévérance d'un archéologue. Si quelque chose d'intéressant s'y trouve, son regard s'y accroche inévitablement. Sinon, la neige est balayée de la planche, et tout recommence depuis le début. Cela dure des heures.
Libbrecht est physicien. Par un curieux concours de circonstances, son laboratoire au California Institute of Technology se consacre à l'étude de la structure interne du soleil et a même développé des instruments modernes pour détecter les ondes gravitationnelles. Mais depuis vingt ans, la véritable passion de Libbrecht est la neige — non seulement son apparence, mais aussi ce qui la fait ressembler à cela. « La question de ce qui tombe du ciel, comment cela se produit et pourquoi cela apparaît ainsi me hante constamment », confie Kenneth.
Pendant longtemps, les physiciens ont considéré qu'il suffisait de connaître qu'entre de nombreux petits cristaux de neige, on pouvait distinguer deux types prédominants. L'un d'eux est une étoile plate avec six ou douze branches, chacune ornée de magnifiques dentelles. L'autre ressemble à une sorte de petite colonne, parfois compressée entre des « couvercles » plats, parfois semblable à un simple boulon. Ces formes peuvent être observées à différentes températures et humidités, mais la raison pour laquelle une forme se développe plutôt qu'une autre demeure un mystère. Des années d'observation de Libbrecht ont contribué à mieux comprendre le processus de cristallisation des flocons de neige.
Les travaux de Libbrecht dans ce domaine ont permis de créer un nouveau modèle qui explique pourquoi les flocons de neige et autres cristaux de neige forment ce que nous avons l'habitude de voir. Selon sa théorie, en ligne en octobre 2019, elle décrit le mouvement des molécules d'eau près du point de congélation (de cristallisation) et comment des mouvements spécifiques de ces molécules peuvent provoquer l'accumulation de cristaux qui se forment dans différentes conditions. Dans sa de 540 pages, Libbrecht décrit l'ensemble des connaissances sur les cristaux de neige.
Étoiles à six branches
Vous savez sûrement qu'il est impossible de voir deux flocons de neige identiques (sauf au stade de leur formation). Ce fait est lié à la manière dont les cristaux se forment dans le ciel. La neige est un ensemble de cristaux de glace qui se forment dans l'atmosphère et conservent leur forme lorsqu'ils tombent ensemble sur Terre. Ils se forment lorsque l'atmosphère est suffisamment froide pour empêcher la fusion ou la fonte, évitant ainsi de devenir de la neige fondue ou de la pluie.
Bien qu'il soit possible de mesurer de nombreuses températures et niveaux d'humidité au sein d'un même nuage, pour un flocon de neige, ces variables seront constantes. C'est pourquoi un flocon grandit souvent de manière symétrique. D'autre part, chaque flocon subit l'influence du vent, de la lumière du soleil et d'autres facteurs. En essence, chaque cristal est soumis au chaos du nuage, ce qui entraîne des formes variées.
Selon une étude de Libbrecht, les premières réflexions sur ces formes délicates ont été enregistrées en 135 avant J.-C. en Chine. « Les fleurs des plantes et des arbres sont généralement à cinq pétales, mais les fleurs de neige sont toujours à six pétales », écrivait le savant Han Yin. Et le premier érudit à avoir tenté de comprendre pourquoi cela se produisait était probablement Johannes Kepler, un scientifique et érudit allemand.
En 1611, Kepler a offert un cadeau de Nouvel An à son patron, l'empereur du Saint Empire romain Rudolf II : un petit intitulé « Sur les flocons de neige hexagonaux ».
« Je traverse un pont, tourmenté par la honte – je t'ai laissé sans cadeau de Nouvel An ! Et voilà qu'une occasion se présente ! Les vapeurs d'eau, se condensant à cause du froid sous forme de neige, tombent sous forme de flocons sur mes vêtements, toutes, à l'unisson, hexagonales, avec des rayons duveteux. Je le jure par Héraclès, voilà un objet qui, moins que n'importe quelle goutte, a une forme, peut être le cadeau tant attendu pour un amateur de Rien et est digne d'un mathématicien, possédant Rien et recevant Rien, puisqu'il tombe du ciel et renferme la ressemblance d'une étoile hexagonale ! »
« Il doit y avoir une raison pour laquelle la neige a la forme d'une étoile hexagonale. Cela ne peut pas être une coïncidence », était convaincu Johannes Kepler. Peut-être se souvenait-il d'une lettre de son contemporain Thomas Harriot, un scientifique et astronome anglais, qui avait également travaillé comme navigateur pour l'explorateur Sir Walter Raleigh. Vers 1584, Harriot cherchait la meilleure façon d'empiler des boulets de canon sur les ponts des navires de Raleigh. Harriot a découvert que les motifs hexagonaux semblent être la meilleure façon d'arranger des sphères, et il a discuté de cette question dans sa correspondance avec Kepler. Kepler se demandait si quelque chose de semblable se produisait dans les flocons de neige et par quel élément se formaient et maintenaient ces six rayons.
Formes de flocons de neige
On peut dire que c'était une compréhension initiale des principes de la physique atomique, dont on ne parlera que dans 300 ans. En réalité, les molécules d'eau avec leurs deux atomes d'hydrogène et un atome d'oxygène ont tendance à se regrouper, formant des amas hexagonaux. Kepler et ses contemporains n'avaient même pas idée de l'importance de cela.
Comme le disent les physiciens, grâce aux liaisons hydrogène et aux interactions entre les molécules, nous pouvons observer une structure cristalline ouverte. En plus de la capacité à former des flocons de neige, la structure hexagonale permet de rendre la glace moins dense que l'eau, ce qui a d'énormes conséquences sur la géochimie, la géophysique et le climat. En d'autres termes, si la glace ne flottait pas, la vie sur Terre serait impossible.
Cependant, après le traité de Kepler, l'observation des flocons de neige est devenue plutôt un hobby qu'une science sérieuse. Dans les années 1880, un photographe américain nommé Wilson Bentley, vivant dans la petite ville froide et constamment enneigée de Jericho (dans le Vermont, États-Unis), a commencé à prendre des photos de flocons de neige en utilisant des plaques photographiques. Il a réussi à créer plus de 5000 photographies avant de mourir d'une pneumonie.
Plus tard, dans les années 1930, le chercheur japonais Ukichiro Nakaya a commencé une étude systématique des différents types de cristaux de neige. Au milieu du siècle, Nakaya cultivait des flocons de neige en laboratoire, à l'aide de poils de lapin placés dans une chambre refroidie. Il ajustait l'humidité et la température, cultivant les principaux types de cristaux, et a rassemblé son catalogue original des formes possibles. Nakaya a découvert que les flocons de neige en forme d'étoile ont tendance à se former à -2 °C et -15 °C. Les colonnes se forment à -5 °C et environ -30 °C.
Il est important de noter qu'à une température d'environ -2 °C, des formes floconneuses fines apparaissent, à -5 °C elles créent des colonnes et des aiguilles fines, quand la température tombe à -15 °C, elles deviennent de véritables plaques fines, et à des températures inférieures à -30 °C, elles redeviennent des colonnes plus épaisses.
Dans des conditions de faible humidité, les flocons de neige en forme d'étoile forment plusieurs branches et ressemblent à des plaques hexagonales, mais en haute humidité, elles deviennent plus complexes et dentelées.
Selon Libbrecht, les raisons de l'apparition des différentes formes de flocons de neige ont été mieux comprises grâce au travail de Nakaya. Il a été établi que les cristaux de neige se transforment en étoiles plates et en plaques (et non en structures tridimensionnelles) lorsque les bords poussent rapidement vers l'extérieur, tandis que les faces poussent lentement vers le haut. Les colonnes fines se développent différemment, avec des faces qui poussent rapidement et des bords qui poussent plus lentement.
En même temps, les principaux processus influençant si un flocon deviendra une étoile ou une colonne restent inexpliqués. Il se peut que le secret réside dans les conditions de température. Et Libbrecht a essayé de trouver la réponse à cette question.
La recette du flocon
Avec sa petite équipe de chercheurs, Libbrecht a essayé de concevoir une recette pour le flocon. C'est-à-dire un ensemble d'équations et de paramètres qui pourraient être chargés dans un ordinateur pour obtenir de l'IA une magnifique variété de flocons.
Kenneth Libbrecht a commencé ses recherches il y a vingt ans, apprenant l'existence d'une forme exotique de flocon appelée colonne fermée. Elle ressemble à une bobine de fil ou à deux roues et un axe. Né au nord du pays, il a été choqué par le fait qu'il n'avait jamais vu un tel flocon.
Étonné par les formes infinies des cristaux de neige, il s'est consacré de leur nature, créant un laboratoire pour cultiver des flocons. Les résultats d'années d'observation ont contribué à créer un modèle que l'auteur estime révolutionnaire. Il a proposé l'idée de la diffusion moléculaire basée sur l'énergie de surface. Cette idée décrit comment la croissance d'un cristal de neige dépend des conditions initiales et du comportement des molécules qui le composent.
Imaginez que les molécules d'eau sont disposées librement, alors que la vapeur d'eau commence à geler. Si l'on pouvait se trouver à l'intérieur d'un minuscule observatoire et regarder ce processus, on pourrait voir comment les molécules d'eau gelée commencent à former une structure rigide, où chaque atome d'oxygène est entouré de quatre atomes d'hydrogène. Ces cristaux se développent en intégrant des molécules d'eau provenant de l'air environnant dans leur structure. Ils peuvent croître dans deux directions principales : vers le haut ou vers l'extérieur.
Un cristal mince et plat (en forme de flocon ou étoilé) se forme lorsque les bords se forment plus rapidement que les deux faces du cristal. Le cristal en croissance s'étendra vers l'extérieur. Toutefois, lorsque ses faces croissent plus rapidement que ses bords, le cristal devient plus haut, formant une aiguille, une colonne creuse ou une tige.
Formes rares de flocons
Un dernier point. Regardez la troisième photo, prise par Libbrecht dans le nord de l'Ontario. C'est un cristal avec des « colonnes fermées » — deux plaques attachées aux extrémités d'un gros cristal en colonne. Dans ce cas, chaque plaque est divisée en une paire de plaques beaucoup plus fines. Si vous regardez les bords, vous verrez comment la plaque se divise en deux. Les bords de ces deux plaques fines sont à peu près aussi aigus qu'une lame de rasoir. La longueur totale de la colonne de glace est d'environ 1,5 mm.
Selon le modèle de Libbrecht, la vapeur d'eau se dépose d'abord aux coins du cristal, puis se propage (diffuse) sur la surface soit vers le bord du cristal, soit vers ses faces, faisant croître le cristal vers l'extérieur ou vers le haut. Le processus qui « gagne » dépend principalement de la température.
Il est à noter que le modèle est « semi-empirique ». Cela signifie qu'il est partiellement construit pour correspondre à ce qui se passe, et non pour expliquer les principes de croissance des flocons de neige. Les instabilités et les interactions entre les innombrables molécules sont trop complexes pour être complètement révélées. Cependant, il reste l'espoir que les idées de Libbrecht serviront de base à un modèle complet de dynamique de croissance de la glace, qui pourra être détaillé par des mesures et des expériences plus précises.
Il ne faut pas penser que ces observations intéressent un cercle restreint de scientifiques. De telles questions se posent en physique des milieux condensés et dans d'autres domaines. Les molécules de médicaments, les puces semi-conductrices pour ordinateurs, les cellules solaires et de nombreux autres secteurs dépendent de cristaux de haute qualité, et des groupes entiers s'occupent de leur culture. Ainsi, les délicats flocons de neige chéris par Libbrecht pourraient bien servir la science.
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Source : habr.com
