La nivologie

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LES CRISTAUX DE NEIGE FORMATION - 1 Par E. PAHAUT, Météo-France, Centre d'Études de la Neige. I - RAPPELS Dans les nuages où ils se forment et se développent, dans le manteau neigeux où ils se transforment, les cristaux de neige ont une évolution liée en grande partie au jeu du déséquilibre entre les différentes phases de l'eau : liquide, solide (glace) et gazeuse (vapeur d'eau). Aussi, avantd'examiner ce qui se passe dans les nuages ou au sein d'une couche de neige déposée au sol, il est utile de faire quelques brefs rappels.

I - 1.Les changements d'état

Sublimation

Fusion

Vaporisation

SOLIDE (glace) Solidification

LIQUIDE (eau) Liquéfaction

GAZ (vapeur)

Condensation solide ou sublimation inverse

Le passage d'une phase à l'autre se fait par des transformationsqui absorbent (-) ou libèrent (+) une certaine quantité de chaleur : c'est la chaleur latente "L" qui varie avec la température. Chaque transformation a son inverse : toute quantité de chaleur absorbée par l'une est restituée par l'autre. Ainsi, la fonte de 1 kg de glace à O° C en 1 kg d'eau à 0° C exige l'apport de 334 x 103 Joules, (soit 80 x 103 calories) donc la solidification de 1 kg d'eau àO° C en 1 kg de glace à 0° C libère la même quantité de chaleur. On remarquera que la chaleur latente de sublimation de la glace, passage direct de la phase solide à la phase vapeur est égale à la somme des chaleurs latentes de fusion et de vaporisation.

L (0°) (-) Fusion Vaporisation Sublimation

J. Kg-1

Calories. g-1

L (0°) (+)

334 x 103 2501 x 103 2835 x 103

80 598 678Solidification Liquéfaction Condensation Solide

I - 2 La saturation

Dans la nature, l'eau existe sous trois phases. L'état liquide et solide nous sont familiers. La phase gazeuse l'est beaucoup moins : c'est la vapeur d'eau, gaz invisible qui est l'un des constituants de l'air que nous respirons. La vapeur d'eau ne doit pas être confondue avec le "brouillard" qui s'échappe d'une casserole d'eauen ébullition. Ce nuage constitué de

microgouttelettes d'eau est le témoin d'une phase condensée donc de l'état liquide.

Les trois principales sources de la vapeur sont :

- l'évaporation (vaporisation) des plans d'eau liquides, - la sublimation des champs de neige, des glaciers, des banquises, - l'évapotranspiration des végétaux.

Imaginons une étendue d'eau parfaitement plane,surmontée d'un volume fini d'air sec. L'évaporation de l'eau suppose un apport d'énergie qui détruit les liaisons entre les molécules d'eau liquide, constituées d'un atome d'oxygène uni à deux atomes d'hydrogène. L'agitation moléculaire qui en découle permet aux molécules d'eau de s'échapper dans l'air. Celui-ci s'enrichit en vapeur d'eau et devient plus humide. Ces molécules ont une masse et exercent unepression partielle, e , exprimée en millibars. Cette pression de vapeur croit avec le nombre de molécules jusqu'à un état d'équilibre pour lequel il y a autant de molécules qui s'échappent de la phase liquide ou qui y retournent. Cet état d'équilibre correspondant à une pression de vapeur maximale ou saturante ew est fonction de la température. Aussi, un volume d'air pourra absorber d'autant plusde vapeur d'eau que sa température sera élevée.

Quantité maximale de vapeur d'eau en grammes par m3 d'air saturé par rapport à l'eau Qw et à la glace Qi T - 20° -18° - 16° -14° - 12° - 10° - 8° - 6° - 4° - 2° 0°

Qw

1,08

1,29

1,50

1,74

2,04

2,38

2,74

3,16

3,65

4,21

4,83

Qi

0,89

1,08

1,28

1,52

1,81

2,15

2,53

2,99

3,52

4,134,83

Pour une température donnée, on définit donc une pression de vapeur saturante ew (t ) par rapport à une surface plane d'eau liquide. Dans un diagramme pression de vapeur/température, la courbe ew (t ) est définie même à des températures négatives : l'eau surfondue, c'est-à-dire liquide à des températures négatives, est un phénomène courant dans l'atmosphère.

Lorsque pour une...
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