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vue agrandie d’un flocon de neige
Quoi de plus apaisant qu’un paysage sous une couche de neige fraîche et immaculée ? Sa porosité et sa structure aérée confèrent à la neige des propriétés acoustiques et isolantes exceptionnelles, rendant n’importe quel décor enneigé si silencieux et si reposant.
Pourtant ce n’est pas de cela que je veux parler, mais plutôt des flocons individuels : vous avez probablement constaté qu’ils ont une forme d’étoiles à six branches et peut-être vous demandez-vous d’où ça vient.

Comme souvent pour comprendre ce qui se passe à l’échelle macroscopique, il faut plonger à l’échelle microscopique, et même nanoscopique, dans le cas présent : la forme des flocons de neige provient de la structure de la molécule d’eau.

La molécule d’eau, $H_2O$, est composée de deux atomes d’hydrogène et d’un atome d’oxygène :

la molécule d’eau
La molécule d’eau, avec 2 hydrogènes, en blanc et un oxygène, en rouge (image).

La forme de « V » ou de « Λ » de la molécule est caractéristique : elle vient de la distribution des électrons au sein de la molécule, et c’est cela qui est indirectement à l’origine de la forme des flocons de neige.

Dans la formation de cette molécule et ses liaisons chimiques, les deux atomes d’hydrogène et l’atome d’oxygène apportent respectivement deux et six électrons de valence (pour un total de huit). Les électrons, soumis à la répulsion électrique de leur charge d’une part et aux phénomènes quantiques de l’autre, vont s’organiser en quatre paires. Ces paires d’électrons vont à leur tour se positionner autour de la molécule de façon à ce qu’elles soient le plus distant possible les unes des autres.
La configuration qui minimise les répulsions est celle en forme de tétraèdre avec les atomes d’hydrogène d’un côté et les deux paires seules non-liantes de l’autre.

Le fait que les deux atomes d’hydrogène soient tous les deux du même côté va produire une région chargée positivement dans la molécule, et les électrons de l’autre côté vont produire un côté chargé négativement : la molécule d’eau dans son ensemble se comporte donc comme un tout petit aimant. On dit que la molécule d’eau est dipolaire.

Maintenant, les opposés s’attirent, non ? Donc le côté positif d’une molécule d’eau va avoir tendance à être attiré par le côté négatif d’une autre molécule, et donc à lier les molécules d’eau entre elles. Les liaisons de ce type là sont dites « liaison hydrogène ». Elles sont moins fortes que les liaisons chimiques dans la même molécule, mais elles suffisent ici pour donner toute la structure à la glace d’eau… et à nos flocons de neige !

Quand le réseau cristallin va prendre la forme avec un grand nombre de molécules, ces dernières s’organisent en formation hexagonale :

structure de la glace d’eau
Structure cristalline de l’eau (image)

Quand les gouttes d’eau d’un nuage se solidifient pour former des grêlons, cette structure n’est pas visible, mais quand c’est la neige qui se forme, c’est en fait de l’eau sous sa forme gazeuse qui se condense directement en cristaux solides, sans passer par la phase liquide : un noyau hexagonal se forme en premier (parfois autour d’une impureté) et les molécules d’eau viennent ensuite s’y fixer une par une. Le positionnement des molécules se fait alors en suivant la structure hexagonale, avec les branches qui « poussent » sur chaque côté de l’hexagone, d’où la forme en étoile à six branches.

Selon la température et les conditions météorologique (humidité, vent…), les flocons de neige peuvent être emmenés à se cogner, se briser, se coller… Ceci va déterminer la nature de la neige : neige humide, neige collante, poudreuse, donnant ainsi des flocons de taille et forme différente, même si on retrouve systématiquement la forme étoilée :

formes de différents flocons de neige
Différentes formes de flocons de neige, photographiées sous microscope. Toutes ces photos magnifiques ont été prises par Alexey Kljatov, et vous pouvez en consulter beaucoup d’autres sur Flickr.

Enfin, et dans des conditions météorologiques très particulières, le ciel et les nuages peuvent produire des cristaux hexagonaux, non pas de neige, mais de glace. On obtient alors de petites palettes de glace hexagonales et transparentes.

Quand la lumière du Soleil arrive sur la glace (toujours très pure dans les nuages), les effets de diffraction et de réflexion qui en résultent produisent des « photométéores », des phénomènes optiques atmosphériques. On trouve ainsi la parhélie, le cercle parhélique, la parasélène, l’arc circumzénithal, l’arc de cœur…

image de Alexey Kljatov

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matmat a dit :
Salut,

Merci pour ces infos fort intéressantes!

Une petite question me chatouille encore: pourquoi toutes les branches sont identitques (ou presque)?
Corollaire: existe-il des flocons avec dyssimétriques, avec des branches très différentes d'un côté et de l'autre)?
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Le Hollandais Volant a dit :
@matmat : quand les molécules viennent se fixer sur le noyau de départ, celui qui initie la naissance du flocons, les molécules d'eau sont dans l'air, et donc de tous les côtés de la molécule. Il n'y a donc pas de côté privilégié. Statistiquement, les branches sont identiques.

Au niveau moléculaire il y a des différences, évidemment, mais ça ne se voit pas à l'oeil : le flocon est quasi-parfait.

À part un flocon cassé, il n'y a donc pas non plus de raison pour en avoir avec des branches non symétriques.
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matmat a dit :
@timo: merci, mais j'arrive vraiment pas à comprendre ce truc.. :-/

Le "noyau" de départ se forme sur une impureté qui n'est sans doute pas symmétrique. De plus, les conditions locales ne sont pas identiques pour chaque branche (vent, pression, température) et on parle quand même de gros machins, vu qu'on peut atteindre les 1 ou 2 cm.

Et là, comme par magie, au moment ou un petit Y pousse sur une des branches, 1cm plus loin (ce qui est énorme), sur 5 autres branches se trouvant dans des conditions différentes, le même petit Y pousse. Et c'est comme ca tout le temps, quelles que soient les conditions ou la forme de base. C'est quand même magique la nature ;-) Mais du coup, y a pas vraiment de raison que ce soit différent au niveau moléculaire, non?

Y a que moi qui ai l'air de trouver ca bizarre on dirait :-(
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Le Hollandais Volant a dit :
@matmat : l’impureté n’est pas toujours nécessaire. S’il fait en dessous de −35 °C, la glace se forme toute seule, sans impureté. Et les quelques premières molécules d’eau à s’assembler forment alors le noyau.

De plus, les conditions locales ne sont pas identiques pour chaque branche (vent, pression, température)


Là est ton erreur : l’atmosphère est immense et le flocon mesure 1 cm : d’une branche à l’autre, on va difficilement passer de −10 °C à +30 °C. En fait, dans tout le nuage, les conditions météo (pression, température) sont sensiblement constantes, de façon à ce que tous les flocons soient du même type (un même nuage ne va pas produire en même temps de la neige humide et de la poudreuse — en revanche c’est possible si le nuage refroidit durant la nuit, par exemple ou au contraire se réchauffe).

Aussi, cette homogénéité des conditions météo dans le nuage suffisent pour que les molécules d’eau soient à la même température, avec la même agitation et le même désir de venir se coller, pôle+ contre pôle−.
La neige ne se forme pas non plus en 10 secondes : il faut plusieurs heures pour voir naître un flocon, molécule par molécule.

Voici une vidéo qui montre ce qui se passe : https://www.youtube.com/watch?v=MCA2VmDVzEo

Les flocons ne sont pas exactement/parfaitement symétriques (désolé si c’est ce que tu pensais en lisant mon article) : mais, suffisamment quand même pour que ce soit notable à l’œil nu : on n’a pas une moitié de flocon qui est carrée et l’autre moitié un triangle.
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matmat a dit :
Salut Timo,

Je reviens à la charge ;-)

On passera sur l'impureté. Parfois elle est là, parfois elle n'est pas là. J'imagine que lorsqu'elle est là, elle peut avoir des formes différentes. Pour une entité aussi sensible qu'un flocon, c'est un peu dommage qu'une impureté d forme triangulaire influence aussi peu la forme finale qu'une impureté rectangulaire :-(

L'infinie diversité des flocons en fait une espèce de MD5 de la nature: une variation infime des conditions amène à un résultat tout différent. Et c'est là qu'interviennent mes réflexions: deux flocons voisins de quelques millimètres seront différents alors que 2 branches qui peuvent être plus éloignées seront identiques.

La conclusion est "les branches sont identiques" et l'hypothèse est que c'est parceque les conditions sont identiques. Et c'est là que je ne suis pas d'accord. Cela semble insuffisant comme hypothèse. Comme tu le dis, la création peut prendre plusieurs heures et l'on voit clairement sur la vidéo que la pousse des branches n'est pas simultanée. Et les conditions peuvent changer grandement entre le temps ou deux branches se créent.

Les flocons semblent plus suivre une carte qui semblerait définie à l'origine. Commme un ADN de flocon qui aurait décidé dès le début de la forme finale! Oui, cela parait absurde, mais je trouve que cette théorie a moins de lacunes que celle des branches identiques à cause des conditions identiques. Il faudrait plutôt trouver une théorie qui satisfasse l'hypothèse que les conditions peuvent varier mais que les branches sont identiques :-)

En plus, je pense en plus que la similarité se retrouve jusqu'au niveau moléculaire. Cela semble plus logique que "les molécules se placent n'importe comment (modulo certaines contraintes) et le résultat macro est identique..".

Pour conclure, je pense juste que l'hypothèse que les conditions sont identiques n'est pas suffisante. Voire fausse. Mais je sens qu'on ne va pas être d'accord :-D
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Le Hollandais Volant a dit :
L'infinie diversité des flocons en fait une espèce de MD5 de la nature: une variation infime des conditions amène à un résultat tout différent.


Non, c’est plutôt l’inverse : deux flocons qui se ressemblent de loin, quand on les regarde au microscope, on voit qu’elles sont légèrement différentes à chaque fois.
En gros, deux flocons différents peuvent avoir une ressemblance pour l’œil humain.

Un peu comme les humains : on a beau être tous différents unique, on a tous les mêmes organes, en même nombre (à part les malformations), ce qui fait qu’on se ressemble.
Une autre espèce aurait des organes différents en nombre différents aussi (plumes, écailles, cornes, tentacules, sabots…).

Les flocons semblent plus suivre une carte qui semblerait définie à l'origine.


Justement, c’est ça !
Le noyau qui se crée au départ va placer les atomes dans certains sens, avec une matrice hexagonale. Les autres atomes qui viennent vont ensuite se fixer dessus, et là, il n’y a pas 36 solutions.

Sauf que, les variantes dans cet hexagone de base (dû à l’eau elle-même) sont apportées par les conditions climatiques.

Je ne crois pas me tromper en disant que tu ne trouveras jamais un flocon de neige à 8 branches. Ça sera toujours 6. Il faut savoir que c’est la structure de la molécule d’eau qui fait ça, et la molécule d’eau, qu’elle soit à 130 °C, 0 °C ou −70 °C est la même. C’est la structure cristalline qui varie selon la température.

L’héxagone n’est pas due à la structure, c’est la structure. Par contre, le nombre de couches, la taille des flocons, etc. c’est dû à la météo : extrémités des branches fondues, flocons qui se collent…


L’eau n’est pas la seule à avoir une structure cristalline : regarde le cristal de sel : ce sont des cubes, quasi-parfaits : image, le quartz c’est un prisme à 6 côtés (image), le diamant est tétraédrique, etc.

Tous les cristaux de diamant sont différents, mais la structure cristalline est identique.
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Hicham a dit :
Bonjour
Articles intéressants. Vous est il possible de rendre les articles téléchargeables en pdf (ou mettre la fonctionnalité imprimer les article seulement sans les commentaires) ? Merci.
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Le Hollandais Volant a dit :
@Hicham : Bonjour,
Je n’ai pas de méthode actuelle pour faire des PDF à partir de l’article.

En attendant, je peux conseiller cette méthode, qui marche sous Firefox :

— ajouter « about:reader?url= » dans l’URL, dans la barre d’adresse. On obtient alors une adresse de ce genre :
about:reader?url=http://couleur-science.eu/?d=2016/01/19/19/50/42-dou-vient-la-forme-en-etoile-a-six-branches-des-flocons-de-neige
C’est le mode lecture : ça enlève tout le superflu et ne conserve que l’article.
— Ensuite, tu fais Fichier > Imprimer > Imprimer dans un fichier. Tu imprime ça dans un fichier PDF et tu obtiens un joli PDF dans ce style là : neige.pdf.

C’est tout ce que je peux proposer dans l’immédiat.
Notes juste que ça peut poser problèmes pour certaines articles qui comportent des équations mathématiques.

Je vais voir si je peux créer quelque chose avec un mode "lecture" directement, qu’il n’y a plus qu’à imprimer.
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InternetBaby a dit :
Incroyable ! et magnifique les flocons !
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NS a dit :
Bonsoir,
Ça peut paraître bizarre comme question mais comme je viens d'une île tropicale il n'y a pas de neige ici (et je n'en ai jamais vu) donc je me permets de la poser. Est-ce que ça existe vraiment les flocons de neige ? Si oui, est-ce que ça tombe du ciel avec cette forme en étoile? Ça doit vous paraître stupide... Si vous estimez que ça l'est, ne publiez pas mon message, je comprendrais.
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Le Hollandais Volant a dit :
@NS : la neige existe vraiment, oui ^^
Quand il neige, c’est comme de la pluie, sauf que les gouttes sont des cristaux de glace très aérés : de la neige. Quand il neige, ça ne fait pas de bruit et les flocons tombent lentement. Tu peux te faire une idée avec cette vidéo : https://www.youtube.com/watch?v=OvBTGZMtZcM

Les flocons n’ont pas cet aspect étoilée quand ils tombent. En fait, ce sont des regroupements de cristaux, qui se sont collés durant leur chute.

Il faut les observer de près, voire utiliser un microscope pour voir l’aspect étoilé.
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NS a dit :
Ça a l'air beau... Quand je ferai mew études en Métropole j'espère avoir l'occasion d'en voir. Mais il paraît qu'il ne neige que dans les montagnes. Pourquoi il ne peut pas neiger à Paris par exemple s'il fait moins de 0°C ?
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NS a dit :
Donc ça dépend uniquement de la température... Ok merci !
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machine a dit :

comment expliques-tu que chacune des 6 branches de la majorité des cristaux soit exactemment de la même largeur par rapport à la taille finale du flocon? C'est pas symétrique ca?, y a-t-il une formule ou une équation qui indique pourquoi? RÉPONSE: la constante de structure fine, j'en ai la preuve sur mon schéma que voici;

http://nsa38.casimages.com/img/2016/10/26/161026034412427195.png
http://nsa38.casimages.com/img/2016/10/26/161026034850226963.png

Jai superposé des flocons avec mon dessin et voici le résultat:
http://nsa38.casimages.com/img/2016/11/05/16110509391191495.png

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Le Hollandais Volant a dit :

@machine : Les cristaux sont globalement symétriques à cause de l’homogénéité (isotropie) du nuage où se forme le flocon : il y a autant d’eau qui se colle sur le flocon quelque soit la direction.

Le parallèle avec la constante de structure fine est intéressant, même curieux, mais je sais pas si il y a un rapport entre les deux. Après tout, il existe aussi des cristaux qui soient cubiques, octogonaux, etc. et dont les angles sont totalement différents.

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machine a dit :

Je suis d'accord avec ton analyse mais prends par exemple les défauts dans le graphene, encore une fois si tu superposes ça a des cristaux de glace les formes s'épousent parfaitement, mais pour la glace c'est très différent du graphene à cause des conditions très variables qui les faconnent il faut alors choisir les cristaux les plus près de la réalité et rejeter les autres. La largeur des branches n'est pas soulignée à nulle part dans les études faites a ce jours, pourquoi? comprends-tu mon point de vue?
http://nsa37.casimages.com/img/2016/11/08/161108084830893183.png

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Le Hollandais Volant a dit :

@machine : Nope, je n’avais jamais vu ça.
Ici ça ressemble plutôt à un cristal de sucre.

Ce qu’il faut savoir ensuite, c’est qu’un matériau peut avoir différentes formes. Le carbone peut ainsi être du graphite ou du diamant, selon la structure des atomes.
Pour l’eau, il existe des multiples formes également, dépendant de la température et de la pression à laquelle se forment les cristaux. La description dans le lien évoque également cette possibilité.

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Renaud a dit :

Est-ce qu'on retrouve des ions négatifs dans les flocons de neige?

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Le Hollandais Volant a dit :

@Renaud : Il y a toujours quelques impuretés dans l’eau de pluie et la neige. Il peut très bien y avoir des ions, en quantité très faible.


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