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PartieThéorique


Introduction


Il existe différentes formes de cristaux dans la nature. On va donc étudier de manière générale la formation des cristaux, puis déterminer quelles sont les différents facteurs, paramètres pour obtenir une forme plutôt qu'une autre et ainsi, proposer une expérience.


Formation des cristaux


Les cristaux sont formés dans des nuages, appelés cumulonimbus, situés à 3500m d'altitude. Ces nuages sont constitués de gouttelettes d'eau, de vapeur d'eau et de glaces. Les gouttelettes d'eau ne gèlent pas instantanément même s'il fait très froid. Elles peuvent rester à l'état liquide jusqu'à -40°C, c'est la surfusion. Pour qu'elles se solidifient plus rapidement, elles ont besoin de noyaux de congélation (poussières, sable,...) qui ont une structure proche de celle de la glace. Ces noyaux de congélation étant de nature très diverses, elles ne gèlent pas à la même température, ni à la même vitesse.

Une fois gelées, elles commencent à croître au fur et à mesure que les vapeurs d'eau se condensent (passage de l'état gazeux à l'état solide) et donc, à se cristalliser. Ce phénomène se produit en dessous du point triple:

  • à une température en dessous 0°C
  • à une pression en dessous 610 Pa.


Puis, ces cristaux de glace vont s'agglutiner à d'autres cristaux formant ainsi un flocon de neige d'environ 2mm. Ce flocon ayant atteint un poids suffisant, va ensuite tomber par gravité. Il neige.
Il existe 3 types de neige:

  • la neige sèche qui ne contient pas d'eau liquide, elle est présente surtout en montagne;
  • la neige humide ou collante qui se forme à température légèrement élevée par rapport à la neige sèche et contient un peu d'eau. Elle est fréquente en plaine;
  • la neige mouillée tombe pour une température positive (entre +1°C et +3°C), est très lourde car elle contient beaucoup de liquide.

En plaine on peut prévoir de la neige lorsque la température au sol est entre -5°C et +3°C alors qu'en montagne, la prévision est généralement plus facile car les températures y sont nettement plus basses, elles se situent donc moins souvent autour de cette limite de 0°C.


Formes et classification


Formes

Ces cristaux ont peut être des formes différentes mais ils reposent toujours sur la même base hexagonale. En effet, la molécule d'eau est composée d'un atome d'oxygène et de deux atomes d'hydrogène qui sont reliés entre eux grâce aux liaisons d'hydrogène.
Cet arrangement hexagonale permet de minimiser l'énergie.

La forme des cristaux de neige dépend de 2 facteurs:

  • la température
  • l'humidité

Le tout à très basse pression.


courbe de formation des différents cristaux

D'après la courbe de sursaturation en fonction de la température, on voit que chaque zone favorise une forme plutôt qu'une autre. Ainsi, on a:

  • de 0 à -4°C: minces plaques hexagonales;
  • de -4 à -6°C: aiguilles;
  • de -6 à -10°C: colonnes creuses;
  • de -10 à -12°C: cristaux à six pointes longues;
  • de -12 à -16°C: dendrites filiformes.


Etoiles à 6 branches


schéma explicatif de l'instabilité Mullins Sekerka

L'une des explications de la croissance des branches est le phénomène lié à la diffusion des molécules d'eau dans l'air pour atteindre la surface du cristal.
Considérons une surface de glace plane. La probabilité que la vapeur d'eau va aller vers une région est la même partout. Ainsi, cette surface va croître uniformément.
Maintenant, faisons apparaitre une bosse sur cette surface. La vapeur d'eau va donc se déposer sur la bosse car la distance qui les sépare est faible. Ceci a pour effet d'accélérer sa croissance. C'est l'instabilité de Mullins-Sekerka.
Elle a pour conséquence que le cristal tend à évoluer vers des formes compliquées, car elle favorise l'apparition d'irrégularités. Les angles du cristal de départ donnent naissance à des branches, qui à leur tour deviennent instable par le même mécanisme. La formation de cristaux dendritiques est alors favorisée.
De plus, d'après le diagramme, les dendrites se forment avec une humidité assez élevée. De ce fait, les branches se développent rapidement. Ces branches principaux peuvent engendrer d'autres branches. Ceux situés vers la pointe des principaux seront plus avantagées puisqu'elles sont en contact direct avec la vapeur d'eau.


Plaquettes

Par contre on a des plaquettes lorsque la dynamique de formation est lente car elles se forment pour une humidité moins élevée.
La différence entre ces deux formes est donc dûe à la diffusion des molécules d'eau.


Aiguilles/Colonnes

Ici, l'humidité est faible, le milieu est donc moins propice aux vapeurs d'eau. De ce fait, la croissance n'est privilégiée dans aucune direction. Les cristaux croissent donc de manière uniforme.


Classification


les 7 catégories de flocons

Les cristaux de neige tombent, donc, du ciel en motifs symétriques, c'est ce qui a incité plusieurs scientifiques à les étudier. En 1611, Kepler étudie les cristaux de neige en observant notamment leur symétrie hexagonale. Nakaya établit dans les années 1930, une classification des cristaux de neige naturels les répartissant en 7 familles différentes qui composent 41 catégories de flocons. En 1951, la Commission internationale de la Neige et de la Glace classe les cristaux en 7 catégories distinctes: plats, étoilés, colonnes, nouilles, dendrites, colonnes coiffées et formes irrégulières. En 1966, elle répertorie 80 « types morphologiques » de cristaux de neige.


Idée expérimentale


schéma de l'expérience


Description: on dispose d'une boîte isotherme dont le fond est froid et le dessus, chaud. Le gradient de température crée alors un environnement stable (l'air chaud flotte au dessus de l'air froid).
Déroulement: une source d'eau et un tampon sont placés à la partie supérieure. Ainsi, on a de la vapeur d'eau qui se diffuse, la production d'air est sursaturé. L'air au centre de la chambre est idéale pour les cristaux de glace en croissance.
On commence par mettre une aiguille, on applique une haute tension sur l'aiguille (2000 volts), des cristaux de glace minces commencent alors à pousser à partir de l'aiguille. En effet, la molécule d'eau étant polarisable, quand on la plonge dans le champ électrique, elle se déforme et commence à se cristalliser. Le phénomène de condensation se crée alors, avec la vapeur d'eau présente et en y mettant un choc électrique, des cristaux se créent. Ainsi en filmant cette cristallisation, on peut voir les différentes étapes de formation.
Avec cette chambre a diffusion, on a pu contrôlé les différentes formes en fonction de la température et du choc électrique.
En pratique on va utiliser une pompe à vide pour baisser la pression dans la boîte, un peltier pour refroidir la plaque inférieure et un générateur de Van der Graaf pour la tension.
En gérant les différents paramètres, on peut créer les formes que l'on souhaite.


Conclusion


Pour voir les différentes formes, il faudra varier les paramètres de température des plaques supérieures et inférieurs, la hauteur où on placera l'aiguille et enfin le débit d'eau délivré.


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