Pourquoi l'eau des nuages se transforme-t-elle parfois en neige et parfois en glace ?

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Pourquoi l'eau des nuages se transforme-t-elle parfois en neige et parfois en glace ?

Question soulevée par mes élèves de CE2 lors d'une séquence sur les changements d'état de l'eau :

"Pourquoi l'eau des nuages se transforme-t-elle parfois en jolis flocons de neige, et d'autres fois en glace ?"
(nous venons d'essuyer une belle chute de neige suivie par des pluies verglaçantes...)

Les nuages peuvent être constitués de gouttelettes d'eau liquide ou de petits cristaux de glace, voire des deux puisqu'un même nuage peut s'étendre sur plusieurs kilomètres d'altitude avec des différences de température importantes.
Le même nuage qui recouvre la montagne de neige peut donner de la pluie au fond de la vallée, puisque les flocons de neige rencontrent des couches d'air plus chaudes au fur et à mesure de leur chute, et fondent. Le caractère très net et horizontal de la limite pluie-neige qu'on observe parfois sur le flanc d'une montagne juste après une averse (montagne blanche en haut, sombre en bas) est d'ailleurs une très bonne façon de se rendre compte de la variation de la température avec l'altitude.
Mais la température ne change pas qu'en fonction de l'altitude, elle change aussi au cours du temps en un même endroit. Or les précipitations se produisent en général lorsqu'une masse d'air relativement chaud et humide rencontre (sur une ligne mobile appelée front) une masse d'air plus froid. Si on se trouve du côté initialement froid, on peut subir une averse de neige à l'arrivée du front (l'air est pour un temps suffisamment froid) suivie de pluie lorsque l'air "chaud" a chassé l'air froid initial. Le fait que la pluie soit verglaçante ne dépend pas de la pluie elle-même, mais du sol qui reste froid plus longtemps que l'air et provoque le gel de l'eau qu'il reçoit.

Dans tous les cas, il s'agit de passer de l'état liquide à l'état solide. Les molécules d'eau ont la propriété de s'associer entre elles.
Cette association est à l'origine de l'état liquide. Même si deux molécules ne "se tiennent" l'une à l'autre qu'un centième de milliardième de seconde à température ordinaire, à un instant donné chacune d'elles est liée à 4 ou 5 voisines. C'est cette somme énorme d'interactions qui donne sa cohésion à l'eau. La preuve la plus flagrante de cette cohésion est que la température d'ébullition de l'eau est 100 °C. L'ammoniac et le méthane, dont les molécules ont à peu près la même masse que celle de la molécule d'eau, ont des points d'ébullition de -33 et -161 °C respectivement, ce qui montre que ce sont des gaz à température ambiante, alors que l'eau est liquide.
Lorsque l'eau refroidit, l'agitation des molécules, due à la température, ralentit de plus en plus (c'est cette agitation qui, à l'ébullition, permet aux molécules de se déplacer suffisamment vite pour s'échapper du liquide). Les interactions qui assuraient la cohésion du liquide sont toujours présentes et elles sont de moins en moins contrariées par l'agitation thermique. Ceci permet aux molécules de s'associer au sein d'un édifice cristallin stable à partir de 0 °C.
Le givre qui se forme sur la végétation, les pièces métalliques, les pare-brises résulte de la transformation d'eau liquide, en film mince, en de jolies figures en "dentelles".

Par contre, une flaque d'eau donnera une plaque de glace, à une température inférieure à 0 °C, car la quantité d'eau qui "s'organise" est telle, qu'elle ne conduit pas à ce que des cristaux "poussent" sur un support.

Les nuages sont constitués de gouttelettes d'eau de taille variable. Si ces gouttelettes sont assez petites et si leur refroidissement dans la haute atmosphère est assez lent, elles vont donner de petits cristaux semblables à ceux du givre. Les "figures" des flocons ont bien des points communs avec celles
du givre. Si les gouttes d'eau quittent le nuage à l'état d'eau liquide, mais qu'au cours de leur chute elles rencontrent une température nettement plus basse que celle de la haute atmosphère, elles vont "être saisies" par ce refroidissement, ce qui ne laisse pas le temps aux molécules d'eau de s'assembler selon les arrangements géométriques qui constituent les flocons. Elles vont "geler" comme la flaque d'eau ou l'eau mise dans un congélateur. On aura alors des grêlons.

Jean-Claude Chottard,
professeur émérite de chimie,
Université Paris Descartes
jean-claude.chottard@parisdescartes.fr/ jcchottard@wanadoo.fr