Des glaçons au coeur blanc

Chaque fois que la lumière passe à travers...

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Chaque fois que la lumière passe à travers une des bulles et des failles du centre d'un glaçon, une petite partie de sa lumière est réfléchie. Ainsi, la lumière «ordonnée» qui allait sagement dans une direction est en quelque sorte «rebrassée», «remélangée», ce qui est perçu par notre oeil comme du blanc.

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(Québec) «Pourquoi l'intérieur des glaçons est-il blanc, et l'extérieur translucide, lorsque l'on fait des glaçons au frigo?» demande Romane Gauvreau, de Québec.

Lorsqu'elle nous a envoyé sa question, en janvier dernier, Romane avait précisé qu'elle avait 10 ans et étudiait en cinquième année. Votre humble serviteur lui avait alors promis qu'elle aurait sa réponse avant d'arriver au secondaire. Et chose promise, chose due...

Pour comprendre ce qui rend le milieu des glaçons blanc, il faut examiner ce qui se passe lors de deux étapes : avant que la glace prenne et après.

Quand on met de l'eau au congélateur, cela va de soi, celle-ci refroidit jusqu'à se transformer en glace. Mais il se produit, en même temps, une autre chose que l'on ne voit pas : le dégazage. L'eau du robinet contient en effet toujours de petites quantités de gaz dissous. À une température de, disons, 10 °C, l'eau peut contenir jusqu'à 11 milligrammes d'oxygène (O2) par litre - à pression ambiante -, sans compter l'azote (N2) et le gaz carbonique (CO2), qui sont toujours présents eux aussi, à des degrés divers.

Or si ces gaz peuvent s'immiscer entre les molécules d'eau liquide, il n'y a pas de place pour eux dans les cristaux de glace. Les gaz sont donc expulsés à mesure que l'eau gèle.

Et voici le premier point important à retenir : l'eau ne gèle pas partout en même temps, mais «fige» d'abord en surface et sur les bords. Cela signifie que la première couche d'eau qui gèle peut expulser ses gaz dans l'air ambiant, ou même un peu dans le centre demeuré liquide. Mais que lorsque ledit centre vient à geler à son tour, c'est une autre histoire. Les parois de glace qui viennent de se former empêchent alors les gaz de s'échapper du centre, mais ces derniers ne peuvent pas ou plus se dissoudre dans les cristaux de glace. C'est pourquoi ils sont «expulsés» des cristaux sous forme d'une multitude de bulles et de petites imperfections, principalement concentrées au centre des glaçons.

Voilà pour la première étape; la seconde, elle, relève de l'optique, explique le physicien Yvan Dutil, coordonnateur scientifique de la Chaire de recherche en technologie de l'énergie et en efficacité énergétique, qui a lui-même déjà travaillé en optique. En effet, quand la lumière passe d'un milieu transparent à un autre - de l'air à la glace et vice-versa, ici -, il se produit essentiellement deux choses.

D'abord, la majeure partie de la lumière est légèrement déviée, mais peut poursuivre sa course; que l'on songe, pour l'illustrer, au fait que les objets que l'on voit dans l'eau sont toujours «à côté» de la position que l'on perçoit de la surface. Ensuite, et c'est ce qui nous intéresse le plus ici, une petite partie de la lumière est réfléchie, comme dans un miroir.

Oh, pas grand-chose, dit M. Dutil : seulement 2 % dans le cas de l'eau et de la glace, et environ 4 % dans le cas de la vitre, si bien que si la lumière ne traverse qu'une seule surface, comme c'est le cas avec une fenêtre, il n'y paraît rien. Mais dans un glaçon, c'est autre chose : chaque fois que la lumière passe à travers une des bulles et des failles du centre, une petite partie de sa lumière est réfléchie. Et puisqu'il y en a des dizaines, voire des centaines, la lumière s'en trouve réfléchie et déviée dans tous les sens. Ainsi, la lumière «ordonnée» qui allait sagement dans une direction est en quelque sorte «rebrassée», «remélangée», ce qui est perçu par notre oeil comme du blanc.

Question d'optique

«C'est la même chose qu'une fenêtre, dit M. Dutil : si vous avez une fenêtre intacte, elle est transparente, mais si vous la réduisez en poudre, ça va faire blanc, parce qu'à ce moment-là, vous avez une multitude de surfaces, qui ne sont pas du tout alignées, et qui réfléchissent donc la lumière dans toutes les directions. C'est aussi la même chose avec la mousse de savon : si vous avez une seule bulle, c'est transparent. Mais comme chaque «couche» réfléchit une partie de la lumière qu'elle reçoit, si vous en avez beaucoup, ça va faire blanc.»

Ajoutons un dernier exemple, pour montrer à quel point ce phénomène est présent partout : les nuages. Une à une, en effet, les gouttelettes qui forment le nuage sont transparentes. Mais en réfléchissant collectivement la lumière dans tous les sens, le nuage nous apparaît blanc - du moins, sa partie qui n'est pas à l'ombre.

M. Dutil ajoute qu'un autre phénomène optique peut ajouter à cet effet : la réfraction. La lumière du Soleil, comme on l'a déjà vu dans cette rubrique, est un mélange de toutes les longueurs d'onde visibles par l'oeil humain - mélange qui donne du blanc. Or quand un rayon change de milieu et que sa lumière s'en trouve déviée, cette déviation n'est pas exactement la même pour toutes les longueurs d'onde.

Dans les glaçons, les «couleurs», puisque nous voyons ces longueurs d'onde comme des couleurs différentes, sont donc quelque peu séparées par les changements de milieu, puis répercutées dans tous les sens par le dédale de bulles. La réfraction peut ainsi contribuer un peu à «mélanger» la lumière au centre des glaçons, mais le gros de l'effet reste dû à la réflexion, précise M. Dutil.

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