La formation des flocons de neige

L’hiver s’achève. Avez-vous remarqué que les flocons de la fin de l’hiver sont différents de ceux lors des grands froids? Pourquoi?

D’abord, de quoi a-t-on besoin pour former un flocon de neige?

De la vapeur d’eau, une température, un aérosol et un nuage. Décortiquons plus simplement cela.

Évidemment, de l’eau mise sous une température en dessous de 0 degré Celsius passera de sa forme liquide à sa forme solide (soit de la glace) par un processus nommé solidification. Mais l’eau peut aussi exister sous forme de gaz (appeler vapeur d’eau) qui peut passer directement à l’état solide, sans passer par l’état liquide, au contact rapide d’une température très froide. Ce deuxième processus s’appelle la condensation solide. C’est ce qui se passe lorsqu’un flocon se forme.4,6

Une molécule d’eau H2O, peu importe l’état dans lequel elle se trouve, contient toujours 2 ions hydrogène positifs et 1 ion oxygène négatif. À l’état gazeux, les différentes molécules de H2O sont très espacées et mobiles. À l’état liquide, elles sont beaucoup moins espacées, mais encore mobiles. À l’état solide, les molécules s’unissent et deviennent immobiles. Puisque les ions négatifs et les ions positifs s’attirent, les molécules de H2O à l’état solide s’assemblent toujours en paquet de 6 en forme d’hexagone (voir figure 1). Un flocon de neige se construit à la base avec un paquet de 6 molécules H2O, donc chaque flocon individuel possède 6 côtés.4,6

Figure 1. Alignement des ions H2O en forme d’hexagone à l’état solide (glace).4

On retrouve dans l’atmosphère une panoplie d’aérosols en suspension. Ceux-ci peuvent être par exemple de la poussière industrielle, du sable, de la fumée, des sels marins, du pollen, du sulfate, du fer, des bactéries, etc. Lorsque la vapeur d’eau entre en contact avec un de ses aérosols solides, elle se condense autour pour devenir une gouttelette qu’on appelle noyau de condensation. C’est le rassemblement de tous ces noyaux qui sont à l’origine de la formation des nuages. Cependant, si la température dans le nuage est assez basse, la vapeur d’eau en contact avec l’aérosol ne passera pas par l’état liquide et se transformera directement en glace. On appelle ceux-ci des noyaux glaçogènes. Chaque flocon de neige a donc en son centre un noyau glaçogène (contenant un aérosol) à 6 côtés. Par la suite, des cristaux de glace se formeront autour du noyau avec la vapeur d’eau contenu dans le reste du nuage.1,2

Lorsque le noyau glaçogène entouré de plusieurs cristaux de glace sera assez lourd dans le nuage, il sera attiré par la gravité et tombera jusqu’au sol. Lors de sa chute, il entrera en collision avec d’autres gouttelettes de vapeur d’eau qui viendront s’attacher au centre déjà formé, augmentant la taille du flocon.1,2,3

Une étoile à six branches, voilà comment la plupart s’imaginent un flocon de neige. Mais la forme des flocons est influencée par la température, le vent, la pression atmosphérique et l’humidité des couches d’air qui sont traversés lors de la chute. Les flocons sont classés en 7 catégories de formes selon les conditions qu’ils rencontrent : plaquettes, colonnes, aiguilles, étoiles, dendrites, colonnes à capuchons et cristaux irréguliers.2,5,6

Si on regarde le graphique de la figure 2, on voit qu’en général, la forme des flocons est surtout influencée par la densité de vapeur d’eau et la température. Selon la quantité de vapeur d’eau, on retrouve soit des formes simples ou des formes complexes : peu de vapeur d’eau dans l’air ne produit que des plaquettes au centre (il n’y a pas assez de vapeur d’eau pour faire grandir le flocon) et beaucoup de vapeur d’eau dans l’air produit majoritairement des flocons étoilés à dendrites très ramifiés.2,6,7

Ensuite, à des températures chaudes (supérieures à -10°C), on retrouve majoritairement plaquettes, des colonnes et des aiguilles. Autour de -15°C, on retrouve la forme la plus connue, les étoiles à dendrites. Finalement, à des températures très froides (inférieures à -25°C), on retrouve les cristaux irréguliers et les formes plus spéciales comme les colonnes à capuchons. En bref, les plus petits flocons simples se forment lorsqu’il fait très froid, puisque l’air ne contient pas beaucoup de vapeur d’eau et les plus gros flocons à plus haute température.6,7

Figure 2. Différentes formes de flocons selon la vapeur d’eau et la température.7

Dans de rares occasions, 2 flocons formés à 6 branches peuvent rester collés ensemble lors de la chute et créer des flocons à 12 branches (figure 3).5

Figure 3. Flocons à 12 branches.5

Sachant à quel point les conditions ambiantes influencent la formation des flocons, il est facile de comprendre que le nombre de flocons asymétriques est beaucoup plus élevé que celui des flocons parfaitement symétriques. Il en va de même pour les flocons parfaitement identiques : les chances d’avoir deux flocons identiques sont infiniment minces. Cependant, il est maintenant possible de « faire pousser » des flocons artificiellement en laboratoire avec des environnements contrôlés. Il est donc beaucoup plus simple de produire de la symétrie et d’observer des flocons « parfaits ».2,4,5

Une autre idée bien connue est que la neige est blanche. En réalité, chaque flocon est transparent. L’accumulation de flocons de neige au sol se nomme le manteau neigeux. Il est formé d’air et de cristaux de glace. Ce dernier apparaît blanc seulement en raison de la réflexion de la lumière sur l’ensemble des flocons.5

Et la pluie verglaçante, est-ce que ce sont aussi des flocons de neige?

La réponse est non. Pour pouvoir avoir un flocon de neige, il est essentiel d’avoir un aérosol solide au centre du noyau glaçogène. Alors, imaginons un nuage où ces aérosols ne sont pas présents, dans une section moins polluée par exemple. La vapeur d’eau ne peut pas se condenser autour de l’aérosol et geler. Elle restera donc sous forme liquide même à des températures sous 0°C. Le nuage se retrouvera saturé en eau et les micros gouttelettes seront relâchées vers le sol sous forme de précipitations. Elles gèleront immédiatement au contact du premier objet solide qu’elles rencontreront (la route, les arbres ou notre voiture par exemple). La pluie verglaçante est donc causée par un air trop propre et pur sans aérosol.6

Nous avons exploré la formation des flocons avant leur arrivée au sol, mais que se passe-t-il une fois que le manteau neigeux se forme?

Lorsqu’elle vient de tomber, la neige est légère et les dents des flocons sont entremêlées les unes dans les autres. On appelle ce stade la cohésion de feutrage. Ce stade est instable. Dans les montagnes, une petite perturbation entraîne une glissée de la neige en avalanche, que l’on dit poudreuse. Ce sont les avalanches les plus fréquentes et atteignent des vitesses de 300 km/h. Après un certain temps, la neige devient plus dense et se tasse sous l’effet de son poids occasionnant de nouveaux liens entre les cristaux de glace : c’est le frittage. À ce stade, de plus grosses perturbations sont nécessaires pour déclencher des avalanches qui descendront sous forme de plaques de glace à des vitesses de 100 km/h.6,7

Vous avez maintenant plusieurs outils pour reconnaître et comprendre le phénomène de la neige. En général, il nous est possible d’observer les différentes formes de flocons à l’œil nu, il faut seulement regarder attentivement (figures 4,5,6).

Figure 4. Flocons en forme d’aiguilles et de colonnes.5
Figure 5. Flocons en forme d’étoiles à dendrites.5
Figure 6. Flocons en forme de colonnes à capuchon.5

N’oubliez pas! Lors de la prochaine neige, il est donc déconseillé d’essayer d’attraper des flocons avec votre langue ou encore de manger de la neige au sol, puisque rappelez-vous : chaque flocon contient une particule de pollution en son centre!

Catherine Morin
Biologiste

Références

Gouvernement du Québec. 2024. La formation des flocons de neige.
URL : https://www.environnement.gouv.qc.ca/jeunesse/chronique/2004/0402-formation.htm#:~:text=Trois%20conditions%20doivent%20%C3%AAtre%20r%C3%A9unies,fum%C3%A9e%20ou%20des%20sels%20marins

Intra-Science. 2024. Comment se forme un flocon de neige ?
URL : https://intra-science.anaisequey.com/physique/categories-phys/36-physique-fondamentale/293-flocon-de-neige-formation#reponse-avancee

Encyclopaedia Universalis. 2023. La formation des flocons de neige
URL : https://www.universalis.fr/encyclopedie/neige/3-la-formation-des-flocons-de-neige/

Heidi. 2022. Comment se forment les flocons de neige?
URL : https://www.heidi.news/sciences/comment-se-forment-les-flocons-video

Simply Science. 2023. Flocons de neige.
URL : https://www.simplyscience.ch/fr/flocons-de-neige

TPE. Formation du flocon.
URL : https://tpe-neige-34.webself.net/formation

Quoi dans mon assiette. Archives des flocons de neige.
URL : https://quoidansmonassiette.fr/tag/flocons-de-neige/

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