La glace - Ice

La glace
Une image de glace.
Propriétés physiques
Densité (ρ) 0,9167 à 0,9168 g / cm 3
Indice de réfraction (n) 1.309
Propriétés mécaniques
Module de Young (E) 3 400 à 37 500 kg-force /cm 3
Résistance à la tractiont ) 5 à 18 kg-force/cm 2
Résistance à la compression (σ c ) 24 à 60 kg-force/cm 2
Coefficient de Poisson (ν) 0,36 ± 0,13
Propriétés thermiques
Conductivité thermique (k) 0,0053 (1 + 0,105 θ ) cal / (cm s K), θ = la température en ° C
Coefficient de dilatation thermique linéaire (α) 5,5 × 10 −5
Capacité calorifique spécifique (c) 0,5057 à 0,001863 θ cal / (g K), θ = valeur absolue de la température en ° C
Propriétés électriques
Constante diélectrique (ε r ) ~3.15
Les propriétés de la glace varient considérablement avec la température, la pureté et d'autres facteurs.

La glace est de l' eau gelée à l' état solide . Selon la présence d' impuretés telles que des particules de terre ou des bulles d'air, il peut apparaître transparent ou d'une couleur blanc bleuté plus ou moins opaque .

Dans le système solaire , la glace est abondante et se produit naturellement d'aussi près du Soleil que Mercure jusqu'aux objets du nuage d'Oort . Au-delà du système solaire, il se présente sous forme de glace interstellaire . Il est abondant à la surface de la Terre – en particulier dans les régions polaires et au-dessus de la limite des neiges  – et, en tant que forme courante de précipitation et de dépôt , joue un rôle clé dans le cycle de l'eau et le climat de la Terre . Il tombe sous forme de flocons de neige et de grêle ou se présente sous forme de givre, de glaçons ou de pics de glace et s'accumule à partir de la neige sous forme de glaciers et de calottes glaciaires.

La glace présente au moins dix-huit phases ( géométries de tassement ), en fonction de la température et de la pression. Lorsque l'eau est refroidie rapidement ( trempe ), jusqu'à trois types de glace amorphe peuvent se former en fonction de son histoire de pression et de température. Lorsqu'il est refroidi lentement, un effet tunnel de protons corrélé se produit en dessous−253,15  °C (20  K ,-423,67  °F ) donnant lieu à des phénomènes quantiques macroscopiques . Pratiquement toute la glace à la surface de la Terre et dans son atmosphère est d'une structure cristalline hexagonale désignée par la glace I h (parlée par "glace un h") avec de minuscules traces de glace cubique, désignée par la glace I c et, plus récemment, la glace VII inclusions dans les diamants. La transition de phase la plus courante vers la glace I h se produit lorsque l'eau liquide est refroidie en dessous°C (273,15  K ,32  °F ) à la pression atmosphérique normale . Il peut également être déposé directement par la vapeur d'eau , comme cela se produit lors de la formation de givre. La transition de la glace à l'eau est en train de fondre et de la glace directement à la vapeur d'eau est la sublimation .

La glace est utilisée de diverses manières, notamment pour le refroidissement, les sports d'hiver et la sculpture sur glace .

Propriétés physiques

La structure cristalline tridimensionnelle de la glace H 2 O I h (c) est composée de bases de molécules de glace H 2 O (b) situées sur des points du réseau dans le réseau spatial hexagonal bidimensionnel (a).

En tant que solide inorganique cristallin naturel avec une structure ordonnée, la glace est considérée comme un minéral . Il possède une structure cristalline régulière basée sur la molécule d'eau, qui se compose d'un seul atome d' oxygène lié de manière covalente à deux atomes d'hydrogène , ou H–O–H. Cependant, de nombreuses propriétés physiques de l'eau et de la glace sont contrôlées par la formation de liaisons hydrogène entre les atomes d'oxygène et d'hydrogène adjacents ; bien qu'il s'agisse d'un lien faible, il est néanmoins essentiel pour contrôler la structure de l'eau et de la glace.

Une propriété inhabituelle de l'eau est que sa forme solide - la glace congelée à la pression atmosphérique - est environ 8,3 % moins dense que sa forme liquide ; cela équivaut à une expansion volumétrique de 9 %. La densité de la glace est de 0,9167 à 0,9168 g/cm 3 à 0 °C et à la pression atmosphérique standard (101 325 Pa), alors que l'eau a une densité de 0,9998 à 0,999863 g/cm 3 à la même température et pression. L'eau liquide est la plus dense, essentiellement 1,00 g/cm 3 , à 4 °C et commence à perdre sa densité lorsque les molécules d'eau commencent à former les cristaux de glace hexagonaux lorsque le point de congélation est atteint. Ceci est dû aux liaisons hydrogène dominant les forces intermoléculaires, ce qui se traduit par un tassement de molécules moins compact dans le solide. La densité de la glace augmente légèrement avec la baisse de la température et a une valeur de 0,9340 g/cm 3 à -180 °C (93 K).

Lorsque l'eau gèle, elle augmente de volume (environ 9 % pour l'eau douce). L'effet de l'expansion pendant le gel peut être dramatique, et l'expansion de la glace est une cause fondamentale de l' altération par le gel-dégel de la roche dans la nature et des dommages causés aux fondations des bâtiments et aux routes par le soulèvement dû au gel . C'est également une cause fréquente d'inondation des maisons lorsque les conduites d'eau éclatent en raison de la pression de l'eau en expansion lorsqu'elle gèle.

Le résultat de ce processus est que la glace (sous sa forme la plus courante) flotte sur l'eau liquide, ce qui est une caractéristique importante de la biosphère terrestre . Il a été avancé que sans cette propriété, les masses d'eau naturelles gèleraient, dans certains cas de façon permanente, de bas en haut, entraînant une perte de la vie animale et végétale dépendant du fond dans les eaux douces et marines. Des calottes glaciaires suffisamment minces laissent passer la lumière tout en protégeant la face inférieure des conditions météorologiques extrêmes à court terme telles que le refroidissement éolien . Cela crée un environnement abrité pour les colonies de bactéries et d'algues. Lorsque l'eau de mer gèle, la glace est criblée de canaux remplis de saumure qui abritent des organismes sympathiques tels que des bactéries, des algues, des copépodes et des annélides, qui à leur tour fournissent de la nourriture à des animaux tels que le krill et des poissons spécialisés comme le chauve notothen , nourris à leur tour. par des animaux plus gros comme les manchots empereurs et les petits rorquals .

Lorsque la glace fond, elle absorbe autant d' énergie qu'il en faudrait pour chauffer une masse d'eau équivalente à 80 °C. Pendant le processus de fusion, la température reste constante à 0 °C. Lors de la fonte, toute énergie ajoutée rompt les liaisons hydrogène entre les molécules de glace (eau). L'énergie devient disponible pour augmenter l'énergie thermique (température) seulement après que suffisamment de liaisons hydrogène soient rompues pour que la glace puisse être considérée comme de l'eau liquide. La quantité d'énergie consommée pour rompre les liaisons hydrogène lors de la transition de la glace à l'eau est connue sous le nom de chaleur de fusion .

Comme pour l'eau, la glace absorbe la lumière à l'extrémité rouge du spectre de préférence en raison d'une harmonique d'un étirement de la liaison oxygène-hydrogène (O-H). Par rapport à l'eau, cette absorption est décalée vers des énergies légèrement inférieures. Ainsi, la glace apparaît bleue, avec une teinte légèrement plus verte que l'eau liquide. L'absorption étant cumulative, l'effet de couleur s'intensifie avec l'augmentation de l'épaisseur ou si des réflexions internes font que la lumière emprunte un chemin plus long à travers la glace.

D'autres couleurs peuvent apparaître en présence d'impuretés absorbant la lumière, où l'impureté dicte la couleur plutôt que la glace elle-même. Par exemple, les icebergs contenant des impuretés (par exemple, des sédiments, des algues, des bulles d'air) peuvent apparaître bruns, gris ou verts.

Étapes

Dépendance à la pression de la fonte des glaces

La glace peut être l'une des 19 phases cristallines solides connues de l' eau , ou à l'état solide amorphe à diverses densités.

La plupart des liquides soumis à une pression accrue gèlent à des températures plus élevées car la pression aide à maintenir les molécules ensemble. Cependant, les fortes liaisons hydrogène dans l'eau la rendent différente : pour certaines pressions supérieures à 1 atm (0,10 MPa), l'eau gèle à une température inférieure à 0 °C, comme le montre le diagramme de phase ci-dessous. On pense que la fonte de la glace sous haute pression contribue au mouvement des glaciers .

La glace, l'eau et la vapeur d'eau peuvent coexister au point triple , qui est exactement de 273,16 K (0,01 °C) à une pression de 611,657  Pa . Le kelvin était en fait défini comme1/273.16de la différence entre ce point triple et le zéro absolu , bien que cette définition ait changé en mai 2019. Contrairement à la plupart des autres solides, la glace est difficile à surchauffer . Dans une expérience, de la glace à -3 °C a été surchauffée à environ 17 °C pendant environ 250 picosecondes .

Soumise à des pressions plus élevées et à des températures variables, la glace peut se former en 19 phases cristallines distinctes connues. Avec précaution, au moins 15 de ces phases (une des exceptions connues étant la glace X) peuvent être récupérées à pression ambiante et à basse température sous forme métastable . Les types sont différenciés par leur structure cristalline, l'ordre des protons et la densité. Il existe également deux phases métastables de glace sous pression, toutes deux totalement désordonnées par l'hydrogène ; ce sont IV et XII . La glace XII a été découverte en 1996. En 2006, XIII et XIV ont été découverts. Les glaces XI , XIII et XIV sont des formes ordonnées par l'hydrogène des glaces I h , V et XII respectivement. En 2009, de la glace XV a été trouvée à des pressions extrêmement élevées et à -143 °C. À des pressions encore plus élevées, la glace devrait devenir un métal ; cela a été diversement estimé pour se produire à 1,55 TPa ou 5,62 TPa.

En plus des formes cristallines, l'eau solide peut exister à l'état amorphe sous forme de glace amorphe (ASW) de densités variables. L'eau dans le milieu interstellaire est dominée par la glace amorphe, ce qui en fait probablement la forme d'eau la plus courante dans l'univers. L'ASW à faible densité (LDA), également connue sous le nom d'eau vitreuse hypertrempée, peut être responsable de nuages ​​noctilescents sur Terre et est généralement formée par le dépôt de vapeur d'eau dans des conditions de froid ou de vide. L'ASW à haute densité (HDA) est formé par compression de glace ordinaire I h ou LDA à des pressions GPa. L'ASW à très haute densité (VHDA) est une HDA légèrement réchauffée à 160K sous des pressions de 1 à 2 GPa.

Dans l'espace extra-atmosphérique, la glace cristalline hexagonale (la forme prédominante trouvée sur Terre) est extrêmement rare. La glace amorphe est plus courante; cependant, la glace cristalline hexagonale peut être formée par l'action volcanique.

La glace d'une eau superionique théorisée peut posséder deux structures cristallines. À des pressions supérieures à 500 000 bars (7 300 000 psi), une telle glace superionique prendrait une structure cubique centrée sur le corps . Cependant, à des pressions supérieures à 1 000 000 bars (15 000 000 psi), la structure peut passer à un réseau cubique à faces centrées plus stable . On suppose que la glace superionique pourrait composer l'intérieur de géantes de glace comme Uranus et Neptune.

Log-lin diagramme de phase pression-température de l'eau. Les chiffres romains correspondent à certaines phases de glace listées ci-dessous.
Une formulation alternative du diagramme de phases pour certaines glaces et autres phases de l'eau
Phase Caractéristiques
Glace amorphe La glace amorphe est une glace dépourvue de structure cristalline. La glace amorphe existe sous trois formes : la glace amorphe de faible densité (LDA) formée à la pression atmosphérique, ou en dessous, la glace amorphe de haute densité (HDA) et la glace amorphe de très haute densité (VHDA), se formant à des pressions plus élevées. Le LDA se forme par refroidissement extrêmement rapide de l'eau liquide (« hyperquenched glassy water », HGW), en déposant de la vapeur d'eau sur des substrats très froids (« amorphous solid water », ASW) ou en chauffant des formes de glace à haute densité à pression ambiante (« LDA ").
Glace je h Glace cristalline hexagonale normale. Pratiquement toute la glace dans la biosphère est de la glace I h , à l'exception seulement d'une petite quantité de glace I c .
Glace je c Une variante cristalline cubique métastable de la glace. Les atomes d'oxygène sont disposés dans une structure en diamant. Il est produit à des températures comprises entre 130 et 220 K, et peut exister jusqu'à 240 K, lorsqu'il se transforme en glace I h . Il peut occasionnellement être présent dans la haute atmosphère. Plus récemment, il a été montré que de nombreux échantillons décrits comme de la glace cubique empilaient en fait de la glace désordonnée avec une symétrie trigonale. Les premiers échantillons de glace I à symétrie cubique (c'est-à-dire de glace cubique) n'ont été signalés qu'en 2020.
Glace II Une forme cristalline rhomboédrique avec une structure très ordonnée. Formé à partir de glace I h en le comprimant à une température de 190-210 K. Lorsqu'il est chauffé, il subit une transformation en glace III.
Glace III Une tétragonale glace cristalline, formée par l' eau de refroidissement à 250 K à 300 MPa. La moins dense des phases de haute pression. Plus dense que l'eau.
Glace IV Une phase rhomboédrique métastable. Il peut être formé en chauffant lentement de la glace amorphe à haute densité à une pression de 810 MPa. Il ne se forme pas facilement sans agent de nucléation.
Glace V Une phase cristalline monoclinique . Formé en refroidissant l'eau à 253 K à 500 MPa. Structure la plus compliquée de toutes les phases.
Glace VI Une phase cristalline tétragonale. Formé en refroidissant l'eau à 270 K à 1,1 GPa. Expositions Debye détente .
Glace VII Une phase cubique. Les positions des atomes d'hydrogène sont désordonnées. Expositions Debye détente. Les liaisons hydrogène forment deux réseaux interpénétrés.
Glace VIII Une version plus ordonnée de la glace VII, où les atomes d'hydrogène prennent des positions fixes. Il est formé à partir de la glace VII, en la refroidissant en dessous de 5 °C (278 K) à 2,1 GPa.
Glace IX Une phase tétragonale. Formé progressivement à partir de la glace III en la refroidissant de 208 K à 165 K, stable en dessous de 140 K et à des pressions comprises entre 200 MPa et 400 MPa. Il a une densité de 1,16 g/cm 3 , légèrement plus élevée que la glace ordinaire.
Glace X Glace symétrique ordonnée aux protons. Formes à environ 70 GPa.
Glace XI Un orthorhombique , l' équilibre à basse température sous forme de glace hexagonale. Il est ferroélectrique . La glace XI est considérée comme la configuration la plus stable de la glace I h .
Glace XII Une phase cristalline dense, tétragonale, métastable. On l'observe dans l'espace des phases de la glace V et de la glace VI. Il peut être préparé en chauffant de la glace amorphe à haute densité de 77 K à environ 183 K à 810 MPa. Il a une densité de 1,3 g cm -3 à 127 K (soit environ 1,3 fois plus dense que l'eau).
Glace XIII Une phase cristalline monoclinique. Formé par l'eau de refroidissement à moins de 130 K à 500 MPa. La forme de glace ordonnée par les protons V.
Glace XIV Une phase cristalline orthorhombique. Formé en dessous de 118 K à 1,2 GPa. La forme de glace ordonnée par les protons XII.
Glace XV Une forme de glace VI ordonnée par des protons formée en refroidissant de l'eau à environ 80–108 K à 1,1 GPa.
Glace XVI Forme cristalline la moins dense de l'eau, topologiquement équivalente à la structure vide des hydrates de clathrate sII .
Glace carrée Des cristaux de glace carrés se forment à température ambiante lorsqu'ils sont pressés entre deux couches de graphène . Le matériau était une nouvelle phase cristalline de glace lorsqu'il a été signalé pour la première fois en 2014. La recherche découle de la découverte antérieure selon laquelle la vapeur d'eau et l'eau liquide pouvaient traverser des feuilles d' oxyde de graphène stratifiées , contrairement à des molécules plus petites telles que l' hélium . On pense que l'effet est entraîné par la force de van der Waals , qui peut impliquer plus de 10 000 atmosphères de pression.
Glace XVIIIème Une forme d'eau également connue sous le nom d'eau superionique ou de glace superionique dans laquelle les ions oxygène développent une structure cristalline tandis que les ions hydrogène se déplacent librement.
Glace XIX Une autre forme de glace VI à ordre protonique s'est formée en refroidissant de l'eau à environ 100 K à environ 2 GPa.

Propriétés de frottement

Cascade gelée dans le sud - est de New York

Le faible coefficient de friction (« glissance ») de la glace a été attribué à la pression d'un objet entrant en contact avec la glace, faisant fondre une fine couche de glace et permettant à l'objet de glisser sur la surface. Par exemple, la lame d'un patin à glace, en exerçant une pression sur la glace, ferait fondre une fine couche, assurant la lubrification entre la glace et la lame. Cette explication, appelée "fusion sous pression", trouve son origine au 19ème siècle. Cependant, cela ne tenait pas compte du patinage sur des températures de glace inférieures à -4 °C (25 °F; 269 K), sur lesquelles on patine souvent.

Une deuxième théorie décrivant le coefficient de friction de la glace suggère que les molécules de glace à l'interface ne peuvent pas se lier correctement avec les molécules de la masse de glace en dessous (et sont donc libres de se déplacer comme des molécules d'eau liquide). Ces molécules restent à l'état semi-liquide, assurant une lubrification quelle que soit la pression contre la glace exercée par n'importe quel objet. Cependant, la signification de cette hypothèse est contestée par des expériences montrant un coefficient de frottement élevé pour la glace en utilisant la microscopie à force atomique .

Une troisième théorie est le « chauffage par friction », qui suggère que la friction du matériau est la cause de la fonte de la couche de glace. Cependant, cette théorie n'explique pas suffisamment pourquoi la glace est glissante lorsqu'elle est immobile, même à des températures inférieures à zéro.

Une théorie complète du frottement de la glace prend en compte tous les mécanismes de frottement mentionnés ci-dessus. Ce modèle permet une estimation quantitative du coefficient de frottement de la glace contre divers matériaux en fonction de la température et de la vitesse de glissement. Dans des conditions typiques liées aux sports d'hiver et aux pneus d'un véhicule sur glace, la fonte d'une fine couche de glace due à l'échauffement par friction est la principale raison de la glissance. Le mécanisme contrôlant les propriétés de friction de la glace est toujours un domaine d'étude scientifique actif.

Formation naturelle

Glace plume sur le plateau près d' Alta, Norvège . Les cristaux se forment à des températures inférieures à -30 °C (-22 °F).

Le terme qui décrit collectivement toutes les parties de la surface de la Terre où l'eau est sous forme gelée est la cryosphère . La glace est une composante importante du climat mondial, en particulier en ce qui concerne le cycle de l'eau. Les glaciers et les manteaux neigeux sont un mécanisme de stockage important pour l'eau douce; avec le temps, ils peuvent se sublimer ou fondre. La fonte des neiges est une importante source d'eau douce saisonnière. L' Organisation météorologique mondiale définit plusieurs types de glace selon leur origine, leur taille, leur forme, leur influence, etc. Les hydrates de clathrate sont des formes de glace qui contiennent des molécules de gaz piégées dans son réseau cristallin.

Sur les océans

La glace que l'on trouve en mer peut prendre la forme de glace dérivante flottant dans l'eau, de banquise côtière fixée à un rivage ou de glace d'ancrage si elle est fixée au fond de la mer. La glace qui vêle (se détache) d'une banquise ou d'un glacier peut devenir un iceberg. La glace de mer peut être forcée ensemble par les courants et les vents pour former des crêtes de pression pouvant atteindre 12 mètres (39 pieds) de hauteur. La navigation à travers les zones de glace de mer s'effectue dans des ouvertures appelées « polynies » ou « conduits » ou nécessite l'utilisation d'un navire spécial appelé « brise-glace ».

Sur le terrain et les structures

Glace sur arbre à feuilles caduques après la pluie verglaçante

La glace sur la terre s'étend du type le plus grand appelé « inlandsis » aux plus petites calottes glaciaires et champs de glace aux glaciers et aux courants de glace à la ligne de neige et aux champs de neige .

Aufeis est une couche de glace qui se forme dans les vallées fluviales arctiques et subarctiques. La glace, gelée dans le lit du cours d'eau, bloque l'écoulement normal des eaux souterraines et fait monter la nappe phréatique locale, entraînant un écoulement d'eau au-dessus de la couche gelée. Cette eau gèle alors, provoquant une augmentation supplémentaire de la nappe phréatique et la répétition du cycle. Le résultat est un dépôt de glace stratifiée, souvent de plusieurs mètres d'épaisseur.

La pluie verglaçante est un type de tempête hivernale appelée tempête de verglas où la pluie tombe puis gèle en produisant un glaçage de glace. La glace peut également former des glaçons, semblables à des stalactites en apparence, ou des formes semblables à des stalagmites lorsque l'eau s'égoutte et re-gel.

Le terme « barrage de glace » a trois significations (d'autres sont discutées ci-dessous). Sur les structures, un barrage de glace est l'accumulation de glace sur un toit en pente qui empêche l'eau de fonte de s'écouler correctement et peut causer des dommages dus aux fuites d'eau dans les bâtiments.

Sur les rivières et ruisseaux

Un petit ruisseau gelé

La glace qui se forme sur l'eau en mouvement a tendance à être moins uniforme et stable que la glace qui se forme sur l'eau calme. Les embâcles (parfois appelés « barrages de glace »), lorsque des morceaux de glace brisés s'accumulent, constituent le plus grand danger de glace sur les rivières. Les embâcles peuvent provoquer des inondations, endommager des structures dans ou à proximité de la rivière et endommager des navires sur la rivière. Les embâcles peuvent entraîner la fermeture complète de certaines installations industrielles hydroélectriques . Un barrage de glace est un blocage du mouvement d'un glacier qui peut produire un lac proglaciaire . Les forts écoulements de glace dans les rivières peuvent également endommager les navires et nécessiter l'utilisation d'un brise-glace pour maintenir la navigation possible.

Les disques de glace sont des formations circulaires de glace entourées d'eau dans une rivière.

La glace en crêpe est une formation de glace généralement créée dans des zones où les conditions sont moins calmes.

Sur les lacs

La glace se forme sur les eaux calmes des rives, une fine couche s'étendant sur la surface, puis vers le bas. La glace sur les lacs est généralement de quatre types : primaire, secondaire, superposée et agglomérée. La glace primaire se forme en premier. La glace secondaire se forme sous la glace primaire dans une direction parallèle à la direction du flux de chaleur. De la glace superposée se forme au-dessus de la surface de la glace à partir de la pluie ou de l'eau qui s'infiltre à travers les fissures de la glace qui se déposent souvent lorsqu'elles sont chargées de neige.

La banquise se produit lorsque des morceaux de glace flottants sont entraînés par le vent qui s'accumule sur la rive exposée au vent.

La glace de bougie est une forme de glace pourrie qui se développe en colonnes perpendiculaires à la surface d'un lac.

Une poussée de glace se produit lorsque le mouvement de la glace, causé par l'expansion de la glace et/ou l'action du vent, se produit dans la mesure où la glace pousse sur les rives des lacs, déplaçant souvent les sédiments qui composent la rive.

Dans l'air

Formation de glace à l'extérieur du pare-brise du véhicule

Rime

Le givre est un type de glace qui se forme sur des objets froids lorsque des gouttes d'eau se cristallisent dessus. Cela peut être observé par temps brumeux , lorsque la température baisse pendant la nuit. Le givre mou contient une forte proportion d'air emprisonné, le faisant apparaître blanc plutôt que transparent, et lui donnant une densité environ un quart de celle de la glace pure. Le givre est relativement dense.

Granulés

Une accumulation de granules de glace

Les granules de glace sont une forme de précipitation constituée de petites boules de glace translucides . Cette forme de précipitation est également appelée « grésil » par le National Weather Service des États-Unis . (En anglais britannique, « sleet » fait référence à un mélange de pluie et de neige .) Les granules de glace sont généralement plus petits que les grêlons. Ils rebondissent souvent lorsqu'ils touchent le sol et ne gèlent généralement pas en une masse solide à moins d'être mélangés à de la pluie verglaçante . Le code METAR pour les granules de glace est PL .

Les granules de glace se forment lorsqu'une couche d'air au-dessus du point de congélation est située entre 1 500 et 3 000 mètres (4 900 et 9 800 pieds) au-dessus du sol, avec de l'air sous le point de congélation au-dessus et en dessous. Cela provoque la fonte partielle ou complète de tous les flocons de neige tombant à travers la couche chaude. Au fur et à mesure qu'ils retombent dans la couche sous-congelante plus près de la surface, ils se recongelent en granules de glace. Cependant, si la couche sous-gelée sous la couche chaude est trop petite, les précipitations n'auront pas le temps de recongeler et de la pluie verglaçante se produira à la surface. Un profil de température montrant une couche chaude au-dessus du sol est le plus susceptible d'être trouvé avant un front chaud pendant la saison froide, mais peut parfois être trouvé derrière un front froid qui passe .

Grêle

Un gros grêlon, d'environ 6 cm (2,4 po) de diamètre

Comme d'autres précipitations, la grêle se forme dans les nuages orageux lorsque des gouttelettes d' eau surfondues gèlent au contact de noyaux de condensation , tels que la poussière ou la saleté . Le courant ascendant de la tempête souffle les grêlons vers la partie supérieure du nuage. Le courant ascendant se dissipe et les grêlons retombent dans le courant ascendant et remontent. La grêle a un diamètre de 5 millimètres (0,20 in) ou plus. Dans le code METAR , GR est utilisé pour indiquer la grêle plus grosse, d'un diamètre d'au moins 6,4 millimètres (0,25 in) et GS pour les plus petites. Les pierres juste plus grosses que la taille d' une balle de golf sont l'une des tailles de grêle les plus fréquemment rapportées. Les grêlons peuvent atteindre 15 centimètres (6 pouces) et peser plus de 0,5 kilogramme (1,1 lb). Dans les gros grêlons, la chaleur latente libérée par une nouvelle congélation peut faire fondre l'enveloppe extérieure du grêlon. Le grêlon peut alors subir une « croissance humide », où l'enveloppe extérieure liquide recueille d'autres grêlons plus petits. Le grêlon gagne une couche de glace et grossit de plus en plus à chaque ascension. Une fois qu'un grêlon devient trop lourd pour être supporté par le courant ascendant de la tempête, il tombe du nuage.

La grêle se forme dans les nuages orageux forts , en particulier ceux avec des courants ascendants intenses, une teneur élevée en eau liquide, une grande étendue verticale, de grosses gouttelettes d'eau et où une bonne partie de la couche nuageuse est en dessous de 0 °C (32 °F). Les nuages ​​producteurs de grêle sont souvent identifiables par leur coloration verte. Le taux de croissance est maximisé à environ -13 °C (9 °F) et devient extrêmement faible bien en dessous de -30 °C (-22 °F) à mesure que les gouttelettes d'eau surfondues deviennent rares. Pour cette raison, la grêle est plus courante dans les intérieurs continentaux des latitudes moyennes, car la formation de grêle est considérablement plus probable lorsque le niveau de congélation est inférieur à l'altitude de 11 000 pieds (3 400 m). L'entraînement d'air sec dans de forts orages au-dessus des continents peut augmenter la fréquence de la grêle en favorisant le refroidissement par évaporation qui abaisse le niveau de congélation des nuages ​​orageux, ce qui donne à la grêle un plus grand volume de croissance. fréquence des orages que dans les latitudes moyennes parce que l' atmosphère au- dessus des tropiques a tendance à être plus chaude sur une profondeur beaucoup plus grande. La grêle sous les tropiques se produit principalement à des altitudes plus élevées.

Neiger

Flocons de neige par Wilson Bentley , 1902.

Des cristaux de neige se forment lorsque de minuscules gouttelettes de nuage surfondues (environ 10 m de diamètre) gèlent . Ces gouttelettes sont capables de rester liquides à des températures inférieures à -18 °C (255 K ; 0 °F), car pour geler, quelques molécules dans la gouttelette doivent se réunir par hasard pour former un arrangement similaire à celui d'une glace. treillis; puis la goutte se fige autour de ce "noyau". Les expériences montrent que cette nucléation « homogène » de gouttelettes nuageuses ne se produit qu'à des températures inférieures à -35 °C (238 K ; -31 °F). Dans les nuages ​​plus chauds, une particule d'aérosol ou "noyau de glace" doit être présente dans (ou en contact avec) la gouttelette pour agir comme un noyau. Notre compréhension des particules constituant des noyaux de glace efficaces est faible - ce que nous savons, c'est qu'elles sont très rares par rapport aux noyaux de condensation des nuages ​​sur lesquels se forment des gouttelettes de liquide. Les argiles, la poussière du désert et les particules biologiques peuvent être efficaces, mais on ne sait pas dans quelle mesure. Les noyaux artificiels sont utilisés dans l' ensemencement des nuages . La gouttelette grossit ensuite par condensation de vapeur d'eau sur les surfaces de glace.

la poussière de diamant

La soi-disant "poussière de diamant", également connue sous le nom d'aiguilles de glace ou de cristaux de glace, se forme à des températures approchant -40 °C (-40 °F) en raison de l'air légèrement plus humide provenant de l'altitude se mélangeant à de l'air plus froid en surface. L'identifiant METAR pour la poussière de diamant dans les rapports météorologiques horaires internationaux est IC .

Ablation

L'ablation de la glace désigne à la fois sa fonte et sa dissolution .

La fonte de la glace entraîne la rupture des liaisons hydrogène entre les molécules d'eau. L'ordre des molécules dans le solide se décompose à un état moins ordonné et le solide fond pour devenir un liquide. Ceci est réalisé en augmentant l'énergie interne de la glace au-delà du point de fusion . Lorsque la glace fond, elle absorbe autant d'énergie qu'il en faudrait pour chauffer une quantité d'eau équivalente à 80 °C. Pendant la fonte, la température de la surface de la glace reste constante à 0 °C. La vitesse du processus de fusion dépend de l'efficacité du processus d'échange d'énergie. Une surface de la glace en eau douce fond uniquement par convection naturelle avec un taux qui dépend linéairement de la température de l' eau T , lorsque T est inférieure à 3,98 ° C, et superlinéairement lorsque T est égale ou supérieure à 3,98 ° C, le taux étant proportionnel à (T  − 3,98 °C) α , avec α  = 5/3pour T de beaucoup supérieure à 8 ° C, et α = 4/3pour les températures intermédiaires T .

Dans des conditions ambiantes salées, la dissolution plutôt que la fonte provoque souvent l'ablation de la glace. Par exemple, la température de l' océan Arctique est généralement inférieure au point de fusion de l'ablation de la glace de mer. La transition de phase du solide au liquide est obtenue en mélangeant des molécules de sel et d'eau, similaire à la dissolution du sucre dans l'eau, même si la température de l'eau est bien en dessous du point de fusion du sucre. Ainsi, la vitesse de dissolution est limitée par le transport du sel alors que la fusion peut se produire à des vitesses beaucoup plus élevées qui sont caractéristiques du transport de chaleur .

Rôle dans les activités humaines

Les humains ont utilisé la glace pour le refroidissement et la conservation des aliments pendant des siècles, en s'appuyant sur la récolte de glace naturelle sous diverses formes, puis en passant à la production mécanique du matériau. La glace présente également un défi pour le transport sous diverses formes et un cadre pour les sports d'hiver.

Refroidissement

La glace a longtemps été appréciée comme moyen de refroidissement. En 400 avant JC en Iran, les ingénieurs perses maîtrisaient déjà la technique du stockage de la glace en plein été dans le désert. La glace était apportée en grande quantité pendant les hivers des montagnes voisines et stockée dans des réfrigérateurs spécialement conçus et refroidis naturellement , appelés yakhchal (ce qui signifie stockage de glace ). C'était un grand espace souterrain (jusqu'à 5000 m 3 ) qui avait des murs épais (au moins deux mètres à la base) faits d'un mortier spécial appelé sarooj , composé de sable, d'argile, de blancs d'œufs, de chaux, de poils de chèvre et de cendres dans des proportions spécifiques, et qui était connu pour être résistant au transfert de chaleur. On pensait que ce mélange était complètement impénétrable à l'eau. L'espace avait souvent accès à un qanat et contenait souvent un système de capteurs de vent qui pouvaient facilement amener les températures à l'intérieur de l'espace à des niveaux glacials les jours d'été. La glace était utilisée pour refroidir les friandises de la royauté.

Récolte

Récolte de la glace sur le lac Sainte-Claire au Michigan , v. 1905

Il y avait des industries florissantes dans l'Angleterre du XVIe au XVIIe siècle, où les zones basses le long de l' estuaire de la Tamise étaient inondées pendant l'hiver, et la glace récoltée dans des chariots et stockée entre les saisons dans des maisons en bois isolées comme provision pour une glacière souvent située dans un grand pays maisons et largement utilisé pour garder le poisson au frais lorsqu'il est pêché dans des eaux lointaines. Cela aurait été copié par un Anglais qui avait vu la même activité en Chine. La glace a été importée en Angleterre de Norvège à une échelle considérable dès 1823.

Aux États-Unis, la première cargaison de glace a été envoyée de New York à Charleston, en Caroline du Sud , en 1799, et dans la première moitié du XIXe siècle, la récolte de glace était devenue une grosse affaire. Frédéric Tudor , connu sous le nom de « le roi des glaces », a travaillé au développement de meilleurs produits d'isolation pour les expéditions de glace sur de longues distances, en particulier vers les tropiques ; cela est devenu connu comme le commerce de la glace .

Trieste envoya de la glace en Egypte , à Corfou et à Zante ; la Suisse, vers la France ; et l'Allemagne était parfois approvisionnée par les lacs bavarois . Le bâtiment du Parlement hongrois utilisait la glace récoltée en hiver sur le lac Balaton pour la climatisation.

Les glacières étaient utilisées pour stocker la glace formée en hiver, pour rendre la glace disponible toute l'année, et un premier type de réfrigérateur connu sous le nom de glacière était refroidi à l'aide d'un bloc de glace placé à l'intérieur. Dans de nombreuses villes, il n'était pas rare d'avoir un service régulier de livraison de glace durant l'été. L'avènement de la technologie de réfrigération artificielle a depuis rendu la livraison de glace obsolète.

La glace est encore récoltée pour les événements de sculpture sur glace et sur neige . Par exemple, une scie sauteuse est utilisée chaque année pour obtenir de la glace pour le festival international de sculptures sur glace et sur neige de Harbin à partir de la surface gelée de la rivière Songhua .

Fabrication mécanique

Aménagement d'une fabrique de glace de la fin du XIXe siècle

La glace est maintenant produite à l'échelle industrielle, pour des utilisations telles que le stockage et la transformation des aliments, la fabrication de produits chimiques, le mélange et le durcissement du béton, et la glace de consommation ou emballée. La plupart des machines à glaçons commerciales produisent trois types de base de glace fragmentaire : écaille, tubulaire et plaque, en utilisant une variété de techniques. Les grandes machines à glaçons peuvent produire jusqu'à 75 tonnes de glace par jour. En 2002, il y avait 426 entreprises commerciales de fabrication de glace aux États-Unis, avec une valeur combinée des expéditions de 595 487 000 $. Les réfrigérateurs domestiques peuvent également fabriquer de la glace avec une machine à glaçons intégrée , qui produit généralement des glaçons ou de la glace pilée. Les machines à glaçons autonomes qui fabriquent des glaçons sont souvent appelées machines à glaçons.

Transport

La glace peut présenter des défis pour le transport sécuritaire sur terre, en mer et dans les airs.

Voyage terrestre

Perte de contrôle sur la glace par un bus articulé

La formation de glace sur les routes est un danger hivernal dangereux. La glace noire est très difficile à voir, car elle n'a pas la surface givrée attendue. Chaque fois qu'il y a de la pluie verglaçante ou de la neige qui se produit à une température proche du point de fusion, il est courant que de la glace s'accumule sur les vitres des véhicules. Conduire en toute sécurité nécessite l'élimination de l'accumulation de glace. Les grattoirs à glace sont des outils conçus pour briser la glace et nettoyer les fenêtres, bien que le retrait de la glace puisse être un processus long et laborieux.

Assez loin en dessous du point de congélation, une fine couche de cristaux de glace peut se former sur la surface intérieure des fenêtres. Cela se produit généralement lorsqu'un véhicule a été laissé seul après avoir été conduit pendant un certain temps, mais peut se produire pendant la conduite, si la température extérieure est suffisamment basse. L'humidité de la respiration du conducteur est la source d'eau pour les cristaux. Il est difficile d'éliminer cette forme de glace, de sorte que les gens ouvrent souvent légèrement leurs fenêtres lorsque le véhicule est garé afin de laisser l'humidité se dissiper, et il est maintenant courant que les voitures soient équipées de dégivreurs de lunette arrière pour résoudre le problème. Un problème similaire peut se produire dans les maisons, ce qui est l'une des raisons pour lesquelles de nombreuses régions plus froides nécessitent des fenêtres à double vitrage pour l'isolation.

Lorsque la température extérieure reste sous le point de congélation pendant de longues périodes, des couches de glace très épaisses peuvent se former sur les lacs et autres plans d'eau, bien que les endroits où l'eau coule nécessitent des températures beaucoup plus froides. La glace peut devenir suffisamment épaisse pour qu'on puisse y circuler avec des automobiles et des camions . Faire cela en toute sécurité nécessite une épaisseur d'au moins 30 cm (un pied).

Voyage sur l'eau

Canal à travers la glace pour le trafic maritime sur le lac Huron avec des brise-glaces en arrière-plan

Pour les navires, la glace présente deux dangers distincts. Premièrement, les embruns et la pluie verglaçante peuvent produire une accumulation de glace sur la superstructure d'un navire suffisante pour la rendre instable et exiger qu'elle soit découpée ou fondue avec des tuyaux à vapeur. Deuxièmement, les icebergs  – de grandes masses de glace flottant dans l'eau (généralement créées lorsque les glaciers atteignent la mer) – peuvent être dangereux s'ils sont heurtés par un navire en cours de route. Les icebergs ont été responsables du naufrage de nombreux navires, le plus célèbre étant le Titanic . Pour les ports proches des pôles , être libre de glace, idéalement toute l'année, est un avantage important. Les exemples sont Mourmansk (Russie), Petsamo (Russie, anciennement Finlande) et Vardø (Norvège). Les ports qui ne sont pas libres de glace sont ouverts à l'aide de brise-glaces .

Voyage en avion

Givre sur le bord d'attaque d'une aile d'avion, partiellement libéré par le soufflet pneumatique noir .

Pour les avions, la glace peut entraîner un certain nombre de dangers. Lorsqu'un avion monte, il traverse des couches d'air de température et d'humidité différentes, dont certaines peuvent favoriser la formation de glace. Si de la glace se forme sur les ailes ou les gouvernes, cela peut nuire aux qualités de vol de l'avion. Au cours du premier vol sans escale à travers l'Atlantique , les aviateurs britanniques, le capitaine John Alcock et le lieutenant Arthur Whitten Brown ont rencontré de telles conditions de givrage - Brown a quitté le cockpit et est monté plusieurs fois sur l'aile pour enlever la glace qui recouvrait les entrées d'air du moteur du l'avion Vickers Vimy qu'ils pilotaient.

Une vulnérabilité affectée par le givrage qui est associé aux moteurs alternatifs à combustion interne est le carburateur . Lorsque l'air est aspiré à travers le carburateur dans le moteur, la pression d'air locale est abaissée, ce qui provoque un refroidissement adiabatique . Ainsi, dans des conditions humides proches du point de congélation, le carburateur sera plus froid et aura tendance à givrer. Cela bloquera l'alimentation en air du moteur et provoquera sa panne. Pour cette raison, les moteurs alternatifs d'avion avec carburateurs sont équipés de réchauffeurs d'admission d'air de carburateur . L'utilisation croissante de l'injection de carburant - qui ne nécessite pas de carburateurs - a rendu le "givrage des glucides" moins problématique pour les moteurs alternatifs.

Les moteurs à réaction ne subissent pas de givrage au carburateur, mais des preuves récentes indiquent qu'ils peuvent être ralentis, arrêtés ou endommagés par le givrage interne dans certains types de conditions atmosphériques beaucoup plus facilement qu'on ne le croyait auparavant. Dans la plupart des cas, les moteurs peuvent être redémarrés rapidement et les vols ne sont pas menacés, mais les recherches se poursuivent pour déterminer les conditions exactes qui produisent ce type de givrage et trouver les meilleures méthodes pour l'empêcher, ou l'inverser, en vol.

Loisirs et sports

Plaisir de patiner par le peintre hollandais du XVIIe siècle Hendrick Avercamp

La glace joue également un rôle central dans les sports d'hiver et dans de nombreux sports comme le patinage sur glace , le patinage tour , le hockey sur glace , bandy , pêche sur glace , escalade sur glace , le curling , le ballon sur glace et course traîneau sur bobsleigh , luge et skeleton . De nombreux sports pratiqués sur glace attirent l'attention internationale tous les quatre ans pendant les Jeux olympiques d'hiver .

Une sorte de voilier sur pales donne naissance au yachting sur glace . Un autre sport est la course sur glace , où les conducteurs doivent accélérer sur la glace du lac, tout en contrôlant le dérapage de leur véhicule (semblable à certains égards aux courses sur piste ). Le sport a même été modifié pour les patinoires .

Autres utilisations

Comme ballast thermique

  • La glace est utilisée pour refroidir et conserver les aliments dans des glacières .
  • Des glaçons ou de la glace pilée peuvent être utilisés pour refroidir les boissons. En fondant, la glace absorbe la chaleur et maintient la boisson à près de 0 °C (32 °F).
  • La glace peut être utilisée dans le cadre d'un système de climatisation , en utilisant des ventilateurs à batterie ou à énergie solaire pour souffler de l'air chaud sur la glace. Ceci est particulièrement utile pendant les vagues de chaleur lorsque le courant est coupé et que les climatiseurs standard (à alimentation électrique) ne fonctionnent pas.
  • La glace peut être utilisée (comme d'autres compresses froides ) pour réduire l'enflure (en diminuant le flux sanguin) et la douleur en la pressant contre une zone du corps.

En tant que matériau structurel

Jetée de glace pendant les opérations de fret de 1983. Station McMurdo , Antarctique
  • Les ingénieurs ont utilisé la force considérable de la banquise lorsqu'ils ont construit la première jetée de glace flottante de l'Antarctique en 1973. De telles jetées de glace sont utilisées pendant les opérations de fret pour charger et décharger les navires. Le personnel des opérations de la flotte fait la jetée flottante pendant l'hiver. Ils s'appuient sur l'eau de mer gelée d'origine naturelle dans le détroit McMurdo jusqu'à ce que le quai atteigne une profondeur d'environ 22 pieds (6,7 m). Les jetées de glace ont une durée de vie de trois à cinq ans.
    Une salle à manger de glace de l'hôtel de glace Kemi 's SnowCastle en Finlande
  • Les structures et les sculptures de glace sont construites à partir de gros morceaux de glace ou par pulvérisation d'eau. Les structures sont principalement ornementales (comme dans le cas des châteaux de glace ) et peu pratiques pour une habitation à long terme. Des hôtels de glace existent sur une base saisonnière dans quelques régions froides. Les igloos sont un autre exemple de structure temporaire, faite principalement de neige.
  • Dans les climats froids, les routes sont régulièrement préparées sur les lacs gelés et les zones d'archipel. Temporairement, même un chemin de fer a été construit sur la glace.
  • Pendant la Seconde Guerre mondiale, le projet Habbakuk était un programme allié qui étudiait l'utilisation de pykrete (fibres de bois mélangées à de la glace) comme matériau possible pour les navires de guerre, en particulier les porte-avions, en raison de la facilité avec laquelle un navire immunisé contre les torpilles, et un grand pont, pourrait être construit par la glace. Un prototype à petite échelle a été construit, mais le besoin d'un tel navire pendant la guerre a été supprimé avant de le construire à grande échelle.
  • La glace a même été utilisée comme matériau pour une variété d'instruments de musique, par exemple par le percussionniste Terje Isungset .

Non-eau

Les phases solides de plusieurs autres substances volatiles sont également appelées glaces ; généralement un volatil est classé comme de la glace si son point de fusion se situe au-dessus ou autour de 100 K. L'exemple le plus connu est la glace sèche , la forme solide du dioxyde de carbone .

Un « analogue magnétique » de la glace est également réalisé dans certains matériaux magnétiques isolants dans lesquels les moments magnétiques imitent la position des protons dans la glace d'eau et obéissent à des contraintes énergétiques similaires aux règles de la glace de Bernal-Fowler résultant de la frustration géométrique de la configuration des protons dans eau glacée. Ces matériaux sont appelés glace de spin .

Voir également

Les références

Liens externes