Symétriques, les flocons?

Les flocons de neige ont la réputation d'être... (WikiCommons)

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Les flocons de neige ont la réputation d'être parfaitement symétriques, mais c'est en fait une exagération. S'ils le sont tous «à peu près», leur symétrie n'est jamais sans défaut. Sur cette photo, nous pointons deux endroits où il est évident que cette symétrie est brisée, mais le lecteur en trouvera facilement d'autres en cherchant un peu...

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(Québec) CHRONIQUE / «J'ai une question sur la neige, plus particulièrement à propos des flocons. Tous les enfants, même ceux qui croient au père Noël, savent que les flocons sont tous différents. Les plus admirables sont plats et ont six branches symétriques. N'y a-t-il pas là un paradoxe : différents, mais symétriques? Le flocon voisin est totalement différent, mais ses six branches sont pareilles. Le hasard ne peut pas à lui seul orchestrer tout cela. Si une molécule de vapeur d'eau vient se cristalliser sur la branche d'un flocon, comment les autres cinq branches font-elles pour être à peu près identiques?» demande Étienne Routhier, de Sainte-Foy.

Il n'y a effectivement pas de hasard, ou si peu, là-dedans. Mais il n'y a pas de paradoxe non plus. C'est simplement que les flocons partagent tous le même «modèle de base» à six branches ou six faces, et que sur ce patron viennent se greffer des motifs dont la formation est si sensible à d'infimes variations dans diverses conditions locales (l'humidité et la température, principalement) que chaque flocon finit par être unique. Voyons-y de plus près...

Comme on l'a déjà vu ici, les molécules d'eau (H2O) ont une forme de «V» évasé, où l'atome d'oxygène est à la base du «V» et les deux hydrogènes s'alignent de part et d'autre de l'oxygène avec un angle d'environ 105°. Quand l'eau congèle, tous ces petits «V» s'assemblent dans une structure cristalline hexagonale, à l'image des alvéoles d'abeille.

Le «modèle de base» à six côtés, commun à tous les flocons de neige, il est là. Comme cette structure est répétée un très grand nombre de fois (c'est la nature des cristaux de se répéter ainsi), quand un flocon commence à se former, il a toujours une simple forme d'hexagone - ou enfin, de «prisme hexagonal», pour être exact, puisque la structure a trois dimensions. Tous les flocons passent par ce stade «embryonnaire», mais ce qui leur arrive ensuite dépend de la température et de l'humidité ambiante, ainsi que d'un phénomène bien particulier qui fait grandir les «branches»...

Comme l'explique le physicien américain Kenneth Libbrecht sur son (excellent) site snowcrystals.com, consacré entièrement à la physique des flocons (!), pour se joindre à un cristal et le faire grandir, les molécules de vapeur d'eau doivent d'abord se rendre jusqu'à lui, ce qui ne se fait pas nécessairement rapidement. Mais quand il y a une bosse sur une surface glacée, le bout de l'excroissance se trouve à saillir par rapport au reste, ce qui accélère le processus. Il y a plus de molécules d'eau qui se joignent à la protubérance qu'il n'y en a qui s'annexent au reste du flocon, ce qui fait que la bosse va grandir (potentiellement beaucoup) plus vite que le reste. C'est ce qui va faire une «branche».

Sur l'hexagone de départ, chacun des angles sert de «bosses» de départ. C'est de là que partira chacune des branches, et notons que celles-ci ont elles aussi de petites imperfections pouvant donner naissance à des branches plus petites. D'où, bien sûr, la forme de fougère - la «croissance dendritique», comme disent les physiciens - que prennent les cristaux de glace.

Maintenant, la forme générale que prendront les flocons une journée donnée dépend de la température et de l'humidité qu'il fait. Un air très sec ou très froid (sous les - 20 °C) donnera généralement des flocons très simples, des plaquettes ou des colonnes hexagonales qui ne feront pas de branches, ou de très courtes. Une forte humidité, par contre, favorisera la croissance dendritique et des flocons très élaborés - surtout entre - 10 °C et - 20 °C.

Voilà donc pourquoi les flocons, certains d'entre eux du moins, ont des branches aux motifs parfois très compliqués. Mais comment une branche fait-elle pour savoir comment ses cinq «soeurs» ont poussé?

En fait, elle ne le sait pas. Chacun de ces bras pousse dans son coin, indépendamment des autres. Mais voilà, comme on l'a dit plus haut, ces cristaux sont très sensibles aux conditions où ils se trouvent. Et dans un nuage, ces conditions ne sont pas parfaitement égales partout, étant un peu plus froides ici, un peu plus chaudes là, un peu plus humide ici, un peu moins là-bas. Un flocon, bien évidemment, ne reste pas immobile dans son nuage, mais est constamment ballotté par les vents, ce qui lui fait traverser des conditions changeantes.

Or, et c'est là une clé, si lesdites conditions changent, c'est à l'échelle du nuage, et les flocons sont infiniment plus petits que cela. Beaucoup trop petits pour avoir, par exemple, une branche dans une zone chaude et une autre dans une zone froide. Cela signifie qu'à travers tous ces changements de température et d'humidité, les branches du flocon subissent toujours les mêmes conditions en même temps. Et comme ce sont elles qui déterminent la rapidité (ou la lenteur) de la croissance des cristaux, les six branches croissent et font des sous-branches de la même manière en même temps.

C'est pour cette raison qu'elles semblent si symétriques. Elles ne le sont jamais parfaitement, comme le montre notre photo, et les flocons sont même parfois très clairement asymétriques. Mais ils sont d'habitude... comment dire... raisonnablement symétriques.

***

Sources :

KENNETH G. LIBBRECHT. Snowflake Branching, Snow Crystals, Caltech, 1999. goo.gl/AmfRQA

IAN STEWART. Symmetry of Snowflakes, Knowledge Centre, University of Warwick, 2010. goo.gl/vLSPMk

Flocons de neige

Ci-dessus, la formation de trois flocons, filmée. Il s'agit d'accélérés, chacun des flocons pouvant prendre de 40 à 70 minutes pour se former.

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