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Considération sur la nature des cristaux de neige

Une des premières découvertes scientifiques concernant les cristaux de neige est que leur morphologie varie de façon non-linéaire avec la température (voir figure  2). Plusieurs expériences sur les cristaux, à commencer par U. Nakaya, ont été orienté vers la classification et la dépendance face à la température et à la sursaturation. Cette étrange relation entre la morphologie du cristal de neige et la température n'est toujours pas bien comprise.

Figure 2: Morphologie des cristaux dépendamment de la température et de la sursaturation de l'air
\includegraphics[height=3in]{habits.eps}

L'énorme diversité de cristaux de neige provient de la nature turbulente de l'air qui est telle que 2 cristaux quelconques suivront des trajectoires très différentes. La forme finale d'un cristal de neige est l'histoire de toutes les variations de conditions atmosphériques qu'il a subies.

Dans la nature, on voit rarement la formation de corps symétrique aussi complexe ... les métaux (réseau cristallin) arrivent à croître symétriquement en réseau cubique, cubique centré et cubique face centré par exemple mais, rarement d'une façon aussi complexe que le cristal de neige. Bien sûr, tous les cristaux de neige ne sont pas symétriques.

Au début de la formation d'un cristal, une gouttelette d'eau surfondue se solidifie lorsqu'elle subit un choc (par une particule de poussière dans l'air par exemple). Il serait intéressant d'étudier la façon dont diffusent et se solidifient les gouttelettes surfondues á la surface du cristal (combien de temps ont-elles avant de se solidifier?). La structure hexagonale de la glace se forme autour de ce noyau de glace. Si dès les premiers instants, le cristal forme une structure hexagonale parfaite, on peut dire qu'il garde une symétrie qui se complexifie dans le temps. Une idée que plusieurs partagent est que puisque le cristal est symétrique au départ et que les conditions initiales sont les même tout autour du cristal, il ne peut faire autrement que de conserver sa symétrie tout au long de sa formation. J'ai de sérieux doute d'un point de vue statistique quant à cette dernière hypothèse. Sans nier l'homogénéité des conditions présentes dans le voisinage du cristal, je ne conçois pas que les particules d'eau collisionnant le cristal puis y diffusant en surface arrivent à se distribuer de façon identique sur chaque dendrites en même temps. Plutôt, il y aura en moyenne autant de molécules d'eau sur chacune des dendrites mais, par quel procédé visant à diminuer leur énergie est-ce que les molécules auraient tendance à figer aux même endroits pour chaque dendrite? Les vidéos de K. Libbrecht ([16], 1997 et 1998 Gallery) montrant la formation d'un cristal au bout d'une tige expose clairement que le cristal se forme partout pareil et cela en même temps (à la résolution de l'oeil humain du moins!).

K. Libbrecht suppose que l'instabilité de Mullins-Sekerka fonctionne pour le cas des cristaux de neige probablement grâce à la couche de quasi-liquide qui se trouverait à la surface de la glace en plus d'être d'une épaisseur suffisante pour bien dissiper la chaleur provenant du cristal (ce qui n'est pas encore prouvé!). Ainsi, lors des expériences sur la croissance avec un champ électrique appliqué auparavant par la tige de tungstène, Libbrecht suppose le cristal conducteur donc les pointes ont plus de charge et par le fait même le gradient du champ sera plus fort aux dendrites ce qui renforce leur proéminence. Les dendrites, en plus d'être favorisées par l'instabilité de M-S, attirent plus de gouttelettes ou vapeur d'eau (molécules dipolaires) de l'air environnant que le reste du cristal par $ \vec{F} = (\vec{p} \cdot \vec{\nabla}) \vec{E}$. Pourtant, Libbrecht a aussi fait croître des cristaux de neige sans avoir recours à un champ électrique.

La vitesse de croissance d'un cristal de neige avec dendrites (vers $ -15^o$ C) dans un milieu sursaturé est d'environ 3 $ \mu$m/s selon les expériences de K. Libbrecht. La forme du cristal est liée à sa vitesse de croissance i.e. dendritique lorsque la vitesse est rapide et hexagonale plate lorsqu'elle est lente. Nous verrons plus loin que la vitesse de croissance du cristal peut être liée à l'épaisseur de la couche de quasi-liquide.


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