Neige et Glace FTUE 533 O. Neige : Florent Domine Glaciers : Emmanuel Lemeur Calottes polaires : Frédéric Parrenin

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1 Neige et Glace FTUE 533 O Neige : Florent Domine Glaciers : Emmanuel Lemeur Calottes polaires : Frédéric Parrenin Florent Domine CNRS-Laboratoire de Glaciologie florent@lgge.obs.ujf-grenoble.fr

2 Février Août Hémisphère Nord : km 2 Continents : km 2 Converture neigeuse continentale, février : km 2 Terre, février : la neige couvre 14% de la surface du globe

3 Climat Structure thermique de l atmosphère Circulation atmospherique Emission IR Albedo hν Modification de la chimie atmosphérique T = - 30 C Stockage d eau Reactions photochimiques Isolation thermique du sol Stockage de nutriments T = - 5 C Emisions microbiennes Composition de l eau de fonte Croissance des végétaux

4 Neige I - La neige dans l atmosphère I I Le métamorphisme de la neige : formation et évolution du manteau neigeux I I I La composition chimique de la neige I V Changements de la composition chimique de la neige lors du métamorphisme V Evolution des propriétés physiques de la neige lors du métamorphisme V I Composition chimique des carottes de glace

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6 Plate Plaquette

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11 Colonne

12 Aiguilles

13 Capped Column

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16 Givre de profondeur

17 Givre de profondeur

18 Givre de profondeur

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24 Objectifs de la première partie de ce cours : Apporter des éléments permettant d expliquer la forme des cristaux de neige précipitants Décrire les transformations des cristaux de neige après la précipitation : le métamorphisme

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27 Croissance des cristaux La forme dépend de la face dont la croissance est favorisée Face prismatique : plaquettes, étoiles, dendrites Face basale : colonnes, aiguilles

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47 Plaquettes Colonnes ou aiguilles Cristaux dendritiques Balles de fusil O C -4 C -8 C -24 C Doux Froid Très froid

48 Refroidissement T tr =0.01 C P tr =612 Pa = 4.59 Torr Augmentation d humidité

49 Nuage orographique Trainée de condensation vent

50 P H2O sat = f(t)

51 Pression de vapeur saturante au dessus de la glace P sat (ice) Pa Temperature C

52 Pression de vapeur saturante au dessus de la glace Loi de Clapeyron : sat dlnp d(1/ T ) = H R sub H sub = J/mol 3,5 3,0 2,5 log P sat ( Pa) = T ( K) log P sat Pa 2,0 1,5 1,0 0,5 0,0 3,5 3,6 3,7 3,8 3,9 4,0 4,1 4,2 4,3 4,4 4,5 1000/T (K)

53 Mécanisme de croissance d un cristal par condensation de gaz Molécule se désorbant Marche avançante Molécule s adsorbant Incorporation dans marche Marche avançante Diffusion de surface Molecule adsorbée

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56 Mécanisme possible de croissance cristalline Les dislocations sont des défauts linéaires frequents dans les solides cristallins L émergence de dislocations à la surface peut être un site de croissance cristalline, produisant une croissance en spirale Croissance possible pour une sursaturation σ =(P H2O -P sat )/P sat = ε

57 Formation de nouvelles marches sur des cristaux croissant dans l atmosphère Croissance de la glace dans l atmosphère : Par la nucleation homogène de nouvelles marches aux angles Croissance nécessite σ> σ crit Glace : σ crit 0.4 % La nucleation de nouvelles marches est un phénomène aléatoire Les terrasses auront des surfaces differentes??

58 Regroupement de marches «Step bunching» Incorporation dans la marche Diffusion sur la face Progression de la marche adsorption diffusion de surface

59 Vitesse de croissance d un cristal par condensation de gaz Etapes conduisant à l incorportion d une molécule d eau en phase gaz Diffusion de la molécule d eau (en phase gaz) vers la surface de glace Collision de la molécule d eau avec la surface de glace Collage de la molécule d eau sur la surface de glace et incorporation dans le réseau cristallin de la glace Autres processus à prendre en compte pour quantifier la croissance d un cristal: Sublimation du cristal (ré-émission de molécules d eau depuis le cristal de glace vers la phase gazeuse) La diffusion en phase gazeuse et les phénomènes de surface ont leurs limitations cinétiques Intéressons nous aux phénomènes de surface

60 Théorie cinétique des gaz Nombre de molécules d eau incorporées à la surface = C cond = α cond P H2O 2π m kt g m: masse d une molécule k: constante de Boltzmann=1.38 x J K -1 α cond : coefficient de condensation α cond = nombre de collisions qui collent nombre de collisions total Nombre de molécules d eau se sublimant = C sub = α sub P sat 2π m kt s En général : α cond =α sub =α et T g = T s, le flux net à la surface est donc : ϕ α ( P P ) H O = 2 2π m kt sat α est donc un paramètre clé, qui détermine la vitesse de croissance:

61 Mesures de α: de nombreux chercheurs y ont consacré (presque) toute leur vie. Méthode : mesure de vitesse de croissance Mesures de 1974 Face basale Face prismatique

62 Autres mesures de 1974 Face basale Face prismatique

63 Mesures de 2002 Face basale Face prismatique

64 Déduction de α à partir des mesures de vitesses de croissance : tâche complexe. Face basale Face prismatique

65 Pourquoi dette dépendance complexe de α avec la température? «At present we do not have even a satisfactory qualitative picture of the mechanisms that produce such dramatic changes in morphology with temperature» K.G. Libbrecht (2005) The physics of snow crystals, Reports on Progress in Physics, vol. 68,

66 Energie de surface = tension de surface γ (joule m -2 ) γ = G 2S Π S Π S

67 γ = f(orientation cristallographique) θ Orientation Vicinale Orientation de haute symétrie

68 Tension de surface γ de l indium =f(t, θ)

69 Structure et énergie de surface γ G ( θ ) = γ 0+ φ tanθ ( θ ) = H( θ ) TS( θ ) φ = energie libre de formation d une marche φ= 0 pour T=T R = température de transition rugueuse θ Orientation Vicinale Orientation de haute symétrie

70 Phénomène supplémentaire à la surface de la glace Le désordre de surface de la glace : couche quasi-liquide -73 C -38 C -3 C Anisotropie de la glace (face basale face prismatique) transition CQL-solide a lieu a une température différente sur chaque face.

71 a b c T R Température croissante

72 -23 C -8 C -4 C Face basale Face prismatique Forme Cristalline Température croissante Fusion

73 -23 C -8 C -4 C 1- la CQL de la face prismatique croit plus vite que celle de la face basale basale 2- la surface rugueuse croit plus vite que la CQL et que la surface lisse prismatique 3- La surface lisse de la face basale croit plus vite que celle de la face prismatique Température croissante Fusion

74 Ces considérations de l état de surface rendent compte des transitions suivantes

75 Mais les variétés de forme à expliquer sont beaucoup plus grandes

76 Croissance : le rôle limitant de la diffusion Si la diffusion n est pas limitante, le flux de molécules à la surface est : ϕ α ( P P ) H O = 2 2π m kt sat En tenant compte de la diffusion, le flux de molécules à la surface est : ϕ = ( P P ) H O α sat r D c g 1 2π m kt kt 2π m D g et r c interviennent dans cette équation : des gradients de concentration vont s établir autour du cristal

77 Lignes d isoconcentrations autour d un cristal

78 Les instabilités de croissance I - Instabilité de Mullins Sekerka Un point de croissance plus rapide va générer une croissance encore plus rapide Formation de dendrites

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80 II - Instabilité de Hopper Les instabilités de croissance Formation de cristaux creux

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82 Et ça???

83 La plupart des nuages : nuages mixtes Eau Glace H 2 O evaporation condensation givrage Givrage = congélation de microgouttellettes surfondues par impaction sur un cristal de glace

84 Clapeyron: sat dlnp d(1/ T ) = H R sub H sub glace = J/mol H evap eau = J/mol log P sat Pa C eau -20 C glace /T (K)

85 T, C P sat water- P sat ice, Pa

86 Conclusion sur la formation des cristaux de neige dans les nuages

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