next up previous contents
suivant: Propriétés thermiques monter: Propriétés de la glace précédent: Configurations possibles de la   Table des matières


Surface de la glace

Après des séries d'expérience, Faraday postule vers 1850 l'existence d'une couche de quasi-liquide à la surface de la glace pour rendre compte de l'extraordinaire propriété d'adhésion de la glace même en dessous de 0$ ^o$ C (voir [1], p.392). Cette énigme occupa son esprit pendant plus de vingt ans de façon intermittente. L'idée controversée de la couche de quasi-liquide donne une explication des étranges propriétés de surface de la glace et a été reprise plus tard pour expliquer les différentes morphologies des cristaux de neige.

Lorsqu'on parle d'une couche de quasi-liquide à la surface de la glace il ne s'agit pas d'une mince couche d'eau mais plutôt que la structure de la glace à sa surface n'est plus ordonnée en réseau hexagonal comme dans le corps de la glace. Cette couche de molécules d'eau désordonnées existe en dessous du point de congélation et son épaisseur augmente avec la température. Récemment des expériences ont été mises sur pied pour détecter cette couche de quasi-liquide par des procédés tel que l'ellipsométrie, la diffraction des rayons X et la résonance magnétique nucléaire. Des résultats récents [12] montrent que la distribution angulaire des rayons X diffractés est bien précise (pic étroit) dans le corps du cristal de glace tandis qu'à la surface, l'intensité des rayons diffractés est moindre et la courbe ne représente plus un pic étroit mais une courbe gaussienne. On comprend donc que la surface de la glace n'est plus structurée comme le corps. Les auteurs de l'article (Dosch et al.) soutiennent que la température de fusion à la surface est -12.8$ ^o$ C contrairement au 0$ ^o$ C pour le corps du cristal de neige. La couche de quasi-liquide à la surface étant désordonné (comme l'eau), ces liens sont donc moins forts ce qui explique pourquoi la surface fond plus tôt en température que le corps du cristal.

On sait pourtant que la phase solide d'un composé ordonné en réseau représente toujours la configuration d'énergie minimale. Fletcher avait déjà élaboré un modèle pour la surface de la glace avant que des expériences mettent en évidence l'hypothèse de Faraday quant à la couche de quasi-liquide. L'approche de Fletcher consiste à diminuer l'énergie électrostatique des molécules H$ _2$O à la surface en les orientant de manière à ce que les atomes d'hydrogène de la molécule pointent vers l'extérieur du cristal. De cette façon, il se crée une densité de charges liées positives à la surface. Une expérience d'électrification par friction a conclu qu'une densité de charge de $ 1.6 \cdot 10^{-2} C \cdot m^{-2}$ se trouvait à la surface et donc que plus de 20% des dipôles à la surface étaient orientés selon l'idée de Fletcher.

Ces nouvelles découvertes à propos de la couche de quasi-liquide à la surface de la glace ont un impact majeur pour comprendre la formation des cristaux de neige. Beaucoup de recherche reste cependant à faire pour mieux connaître les propriétés du quasi-liquide en fonction de la température mais, nous savons déjà que l'épaisseur de cette couche devrait être différente d'un plan du cristal à l'autre c'est-à-dire parallèlement ou perpendiculairement à l'axe $ \hat{c}$ (voir figure  5). Les différentes morphologies du cristal de neige pourraient être attribuées à cette couche de quasi-liquide puisque la vitesse de croissance de la surface est directement liée à l'épaisseur de celle-ci. De la vapeur d'eau incidente sur un cristal de glace se condensera plus rapidement sur une surface solide de glace que si l'interface solide/gaz est séparé par une couche de quasi-liquide. Par contre, la diffusion des particules d'eau est grandement facilitée par la couche de quasi-liquide et celle-ci pourrait justement être responsable du lissage que nous observons à la surface des cristaux de neige. De plus, l'instabilité de Mullins-Sekerka qui rend admirablement bien compte de la poussée de dendrites sur un cristal de glace nécessite un contact avec un volume de liquide pour dissiper sa chaleur. Maintenant, il reste à savoir si la couche de quasi-liquide est suffisante vers -15$ ^o$ C pour permettre la diffusion de la chaleur du cristal. Finalement, la couche de quasi-liquide aurait un rôle présumé dans le phénomène d'électrification des nuages par la glace dont nous reviendrons plus loin (section 4.5).

Figure 5: La structure à la surface de la glace à l'échelle moléculaire obtenue par simulation numérique (voir [18]) pour les plans a)[0001] et b)[1010]. Les atomes d'oxygène et d'hydrogène sont en rouge et blanc respectivement.
\includegraphics[height=3 in]{fig8.eps}  

Si la couche désordonnée de molécules d'eau à la surface de la glace constitue une solution à de nombreuses énigmes des propriétés de la glace, il reste à savoir de quelle façon cette couche désordonnée se réarrange ou se cristallise lors de la croissance des cristaux pour conserver la structure Ih de la glace.


next up previous contents
suivant: Propriétés thermiques monter: Propriétés de la glace précédent: Configurations possibles de la   Table des matières