La grande théorie du flocon de neige

La neige dans la partie centrale de la Russie ne suffit pas cet hiver. À certains endroits, il est tombé, bien sûr, mais au mois de janvier, on pouvait s'attendre à un temps plus glacial et neigeux. La grisaille terne et la neige fondante désagréable font qu'il est difficile de ressentir la joie des plaisirs d'hiver habituels. Par conséquent, Cloud4Y suggère d'ajouter un peu de neige à nos vies en parlant de ... flocons de neige.

On pense qu'il n'y a que deux types de flocons de neige. Et l'un des scientifiques, qui est parfois appelé le «père» de la physique des flocons de neige, a une nouvelle théorie qui en explique la raison. Kenneth Libbrecht est une personne incroyable qui est prête à quitter le sud de la Californie chauffée par le soleil au milieu de l'hiver pour se rendre à Fairbanks (Alaska), mettre une veste chaude et s'asseoir dans un champ gelé avec un appareil photo et un morceau de mousse dans les mains.

Pourquoi? Il recherche les flocons de neige les plus pétillants, les plus texturés et les plus beaux que la nature puisse créer. Selon lui, les motifs les plus intéressants ont tendance à se former dans les endroits les plus froids - les fameux Fairbanks et dans la partie nord enneigée de New York. La meilleure neige jamais observée par Kenneth était à Cochrane, un endroit du nord-est de l'Ontario, où un vent léger a entouré des flocons de neige tombant du ciel.

Fasciné par les éléments, Libbrecht, avec l'entêtement d'un archéologue, étudie son panneau de mousse. S'il y a quelque chose d'intéressant, le look s'y accrochera sûrement. Sinon, la neige est balayée de la planche et tout recommence. Et ça dure des heures.

Libbrecht est physicien. Par une drôle de coïncidence, son laboratoire du California Institute of Technology a étudié la structure interne du Soleil et a même développé des instruments avancés pour détecter les ondes gravitationnelles. Mais au cours des 20 dernières années, la véritable passion de Libbrecht a été la neige - non seulement son apparence, mais aussi ce qui la fait ressembler à cela. «La question de savoir quel type d'objets tombe du ciel, comment cela se produit et pourquoi ils ressemblent à cela, me tourmente tout le temps», admet Kenneth.



Pendant longtemps, les physiciens savaient suffisamment que parmi les nombreux minuscules cristaux de neige, on pouvait distinguer deux types dominants. L'une d'elles est une étoile plate à six ou douze rayons, chacun étant décoré d'une magnifique dentelle vertigineuse. L'autre est une sorte de colonne miniature, parfois prise en sandwich entre des "capuchons" plats, et parfois similaire à un boulon ordinaire. Ces formes peuvent être observées à différentes températures et humidité, mais la raison de la formation d'une forme ou d'une autre était un mystère. Les années d'observation de Libbrecht ont permis de mieux comprendre le processus de cristallisation des flocons de neige.

Le travail de Libbrecht dans ce domaine a aidé à 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, publiée sur Internet en octobre 2019, elle décrit le mouvement des molécules d'eau près du point de congélation (cristallisation) et comment des mouvements spécifiques de ces molécules peuvent donner naissance à un ensemble de cristaux qui se forment dans différentes conditions. Dans sa monographie de 540 pages , Libbrecht décrit toutes les connaissances sur les cristaux de neige.

Six étoiles pointues

Vous savez bien sûr qu'il est impossible de voir deux flocons de neige identiques (sauf au stade d'origine). Ce fait est lié à la façon dont les cristaux se forment dans le ciel. La neige est une accumulation de cristaux de glace qui se forment dans l'atmosphère et conservent leur forme lorsqu'ils tombent tous ensemble sur Terre. Ils se forment lorsque l'atmosphère est suffisamment froide pour empêcher la fusion ou la fonte et se transformer en neige ou pluie mouillée.

Bien que de nombreuses températures et niveaux d'humidité puissent être enregistrés dans un seul nuage, ces variables seront constantes pour un seul flocon de neige. C'est pourquoi un flocon de neige pousse souvent symétriquement. D'un autre côté, chaque flocon de neige est exposé au vent, à la lumière du soleil et à d'autres facteurs. En effet, chaque cristal est soumis au chaos du nuage, et prend donc diverses formes.

Selon une étude de Libbrecht, la première réflexion sur ces formes délicates a été enregistrée en 135 avant JC. en Chine. "Les fleurs des plantes et des arbres sont généralement à cinq pointes, mais les fleurs de neige sont toujours à six pointes", a écrit Han Yin, un scientifique. Et le premier scientifique qui a essayé de comprendre pourquoi cela était probablement Johannes Kepler, un scientifique et universitaire allemand.

En 1611, Kepler a présenté un cadeau du Nouvel An à son patron, l'empereur romain germanique Rudolph II: un petit traité intitulé «Sur les flocons de neige hexagonaux».

«Je traverse le pont tourmenté par la honte - je vous ai laissé sans cadeau du Nouvel An! Et là, une bonne opportunité se présente à moi! La vapeur d'eau, s'épaississant du froid dans la neige, laisse tomber des flocons de neige sur mes vêtements, tous en un, hexagonal, avec des rayons duveteux. Je jure devant Hercule que cette chose, plus petite que n'importe quelle goutte, a une forme, peut servir de cadeau du Nouvel An tant attendu à l'amant de Rien et est digne d'un mathématicien qui n'a rien et ne reçoit rien, car il tombe du ciel et cache 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 un accident », était certain Johannes Kepler. Peut-être se souvenait-il d'une lettre de son contemporain Thomas Harriot, un scientifique et astronome anglais qui a également réussi à travailler comme navigateur pour l'explorateur Sir Walter Raleigh. Vers 1584, Harriot cherchait le moyen le plus efficace d'empiler des boulets de canon sur les ponts des navires de Raleigh. Harriot a découvert que les motifs hexagonaux semblaient être la meilleure façon d'organiser les sphères, et il a discuté de cette question dans la correspondance de Kepler. Kepler s'est demandé si quelque chose comme ça se passait dans les flocons de neige, et grâce à quel élément ces six rayons sont apparus et se sont tenus.


On peut dire qu'il s'agissait d'une première compréhension des principes de la physique atomique, qui ne seront discutés qu'après 300 ans. En effet, les molécules d'eau avec leurs deux atomes d'hydrogène et un oxygène ont tendance à se rejoindre pour former des réseaux hexagonaux. Kepler et ses contemporains ne savaient même pas à quel point c'était important.

Comme le disent les physiciens, grâce à la liaison hydrogène et à l'interaction des molécules entre elles, nous pouvons observer une structure cristalline ouverte. En plus de la capacité de produire des flocons de neige, la structure hexagonale rend la glace moins dense que l'eau, ce qui a un impact énorme sur la géochimie, la géophysique et le climat. En d'autres termes, si la glace ne nageait pas, la vie sur Terre serait impossible.

Mais après le traité de Kepler, observer les flocons de neige était plus un passe-temps qu'une science sérieuse. Dans les années 1880, un photographe américain du nom de Wilson Bentley, qui vivait dans la petite ville froide et éternellement enneigée de Jéricho (Vermont, États-Unis), a commencé à prendre des photos de flocons de neige à l'aide de plaques photographiques. Il a réussi à créer plus de 5 000 photographies avant de mourir d'une pneumonie.



Même plus tard, dans les années 1930, le chercheur japonais Ukichiro Nakaya a commencé une étude systématique de divers types de cristaux de neige. Au milieu du siècle, Nakaya a cultivé des flocons de neige dans le laboratoire en utilisant des poils de lapin séparés placés dans une pièce réfrigérée. Il a tâtonné avec les paramètres d'humidité et de température, cultivant les principaux types de cristaux, et a assemblé son catalogue original de formes possibles. Nakaya a découvert que les flocons de neige étoilés ont tendance à se former à -2 ° C et à -15 ° C. Les colonnes se forment à -5 ° C et à environ -30 ° C.

Il est important de noter qu'à une température d'environ -2 ° C, des flocons de neige en forme de plaques minces apparaissent, à -5 ° C, ils créent des colonnes et des aiguilles minces, lorsque la température chute à -15 ° C, ils deviennent des plaques vraiment minces, et à une température inférieure 30 ° C ils reviennent à des colonnes plus épaisses.



Dans des conditions de faible humidité, les flocons de neige étoilés forment plusieurs branches et ressemblent à des plaques hexagonales, mais à une humidité élevée, ils deviennent plus complexes, la dentelle.

Selon Libbrecht, les raisons de l'apparition de diverses formes de flocons de neige sont devenues plus claires précisément grâce au travail de Nakai. Il a été constaté que les cristaux de neige se transforment en étoiles et plaques plates (plutôt qu'en structures tridimensionnelles), lorsque les bords se développent rapidement vers l'extérieur et les visages grandissent lentement. Les colonnes minces croissent différemment, avec des visages à croissance rapide et des bords à croissance plus lente.

Dans le même temps, les principaux processus qui influencent si un flocon de neige devient une étoile ou une colonne sont restés flous. Peut-être que le secret était caché dans les conditions de température. Et Libbrecht a essayé de trouver la réponse à cette question.

Recette de flocon de neige

Avec sa petite équipe de chercheurs, Libbrecht essayait de trouver une recette de flocon de neige. Autrement dit, un certain ensemble d'équations et de paramètres qui peuvent être téléchargés sur un ordinateur et reçus de l'IA une grande variété de flocons de neige.

Kenneth Libbrecht a commencé ses recherches il y a vingt ans, en découvrant la forme exotique des flocons de neige, appelée colonne fermée. Il ressemble à une bobine de fil ou à deux roues et à un essieu. Né dans le nord du pays, il a été choqué par le fait qu'il n'avait jamais vu un tel flocon de neige.

Frappé par les formes infinies de cristaux de neige, il a commencé à étudier leur nature, créant un laboratoire pour la culture de flocons de neige. Les résultats de nombreuses années d'observations ont contribué à créer un modèle que l'auteur lui-même considère comme une percée. Il a proposé l'idée d'une 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 forment.



Imaginez que les molécules d'eau se trouvent librement, car la vapeur d'eau commence à geler. Si vous pouviez être à l'intérieur d'un petit observatoire et regarder ce processus, vous pourriez voir comment les molécules d'eau gelée commencent à former un réseau rigide, où chaque atome d'oxygène est entouré de quatre atomes d'hydrogène. Ces cristaux se développent en incorporant des molécules d'eau de l'air environnant dans leur structure. Ils peuvent se développer dans deux directions principales: vers le haut ou vers l'extérieur.

Un cristal plat mince (lamellaire ou en forme d'étoile) se forme lorsque les bords se forment plus rapidement que les deux faces du cristal. Un cristal en croissance se répandra vers l'extérieur. Cependant, lorsque ses faces croissent plus vite que ses bords, le cristal devient plus grand, formant une aiguille, un pilier creux ou une tige.


Un autre moment. Notez la troisième photographie prise par Libbrecht dans le nord de l'Ontario. Il s'agit d'un cristal à «colonne fermée» - deux plaques fixées aux extrémités d'un cristal épais en forme de colonne. Dans ce cas, chaque plaque est divisée en une paire de plaques beaucoup plus minces. Regardez de plus près les bords, vous verrez comment la plaque est divisée en deux. Les bords de ces deux plaques minces sont à peu près aussi tranchants 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) le long de la surface soit vers le bord du cristal, soit vers ses faces, provoquant la croissance du cristal vers l'extérieur ou vers le haut. Lequel de ces processus «gagne» dépend principalement de la température.

Il est à noter que le modèle est semi-empirique. Autrement dit, il est partiellement construit de manière à correspondre à ce qui se passe et non à expliquer les principes de la croissance des flocons de neige. Les instabilités et les interactions entre d'innombrables molécules sont trop complexes pour être entièrement découvertes. Cependant, il reste à espérer que les idées de Libbrecht serviront de base à un modèle complet de dynamique de croissance des glaces, qui peut être détaillé à l'aide de mesures et d'expériences plus détaillées.

Ne pensez pas que ces observations intéressent un cercle restreint de scientifiques. Des questions similaires se posent en physique de la matière condensée et dans d'autres domaines. Les molécules de médicaments, les puces semi-conductrices pour les ordinateurs, les cellules solaires et de nombreuses autres industries dépendent de cristaux de haute qualité, et des groupes entiers travaillent sur la question de leur croissance. Ainsi, les flocons de neige bien-aimés de Libbrecht pourraient bien servir la science.

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