Sublimation de la glace et des cristaux de neige

On appelle sublimation le passage de l’état solide à celui de vapeur. Cette évaporation particulière a une grande importance dans le cas de la glace et des cristaux de neige quand ils ne peuvent fondre parce que la température est inférieure à 0°C. C’est ce qui se passe pour la glace et la neige des continents arctiques et antarctiques. Or la quantité de glace et de neige présente sur la Terre affecte l’albedo de celle-ci et influe ainsi sur le climat du globe.

L’albedo est le pouvoir réfléchissant d’une surface, c’est-à-dire le rapport de l’énergie lumineuse réfléchie à l’énergie lumineuse incidente.

La complexité de leur géométrie a jusqu’ici empêché de prédire précisément la dynamique de l’évaporation de la glace et des cristaux de neige. Des scientifiques de l’Université Amsterdam,  aux Pays-Bas, ont étudié la sublimation de gouttes de glace munies d’une pointe et celle de cristaux de neige. Ils  ont construit un modèle quantitatif de l’évaporation de la glace et des flocons de neige basé sur le transport par diffusion de la vapeur et non sur la structure cristalline du support, comme on le croyait jusqu’ici.

La sublimation des gouttes de glace munies d’une pointe

Dans une enceinte à humidité maintenue basse (5%) et constante, on dépose de petites gouttes d’eau sur un substrat froid (à  température constante Ts < 0°C), on les fait ainsi se geler et on filme le processus. Généralement, une goutte atteint Ts en quelques secondes, mais reste en surfusion (à l’état liquide) pendant quelques minutes tout en s’évaporant. Finalement, la goutte se solidifie et,  à cause de l’augmentation de volume due à la transformation de  l’eau en glace, une pointe conique se forme à son sommet (Fig.1.). C’est alors le début de la sublimation de la glace ; on observe la même vitesse pour l’évaporation de la glace et de l’eau en surfusion, ce qui suggère que l’évaporation de la glace est limitée par la diffusion de molécules d’eau dans la vapeur d’eau avoisinante, comme il est bien connu pour le cas de gouttes liquides.

Si dans un milieu une espèce chimique a une concentration non uniforme, elle va migrer là où sa concentration est la plus faible. C’est le phénomène de “diffusion“, qui tend à uniformiser la concentration. Un bon exemple en est la diffusion d’une goutte d’encre injectée dans un verre d’eau.

 

Fig.1. Evaporation d’une goutte de glace à extrémité en pointe Suite temporelle d’images montrant la sublimation dans l’air d’une goutte de glace avec pointe placée sur substrat froid (Ts = - 10°C). Reproduit de Singular sublimation of ice and snow crystals Etienne Jambon-Puillet , Noushine Shahidzadeh & Daniel Bonn NATURE COMMUNICATIONS | (2018) 9:4191 | DOI: 10.1038/s41467-018-06689-x C.C.4.0

Fig.1. Evaporation d’une goutte de glace à extrémité en pointe
Suite temporelle d’images montrant la sublimation dans l’air d’une goutte de glace avec pointe placée sur substrat froid (Ts = – 10°C). La ligne pointillée correspond à la surface du substrat. Ce qu’on voit en dessous  de cette ligne est la réflexion de la goutte.
Reproduit de Singular sublimation of ice and snow crystals
Etienne Jambon-Puillet , Noushine Shahidzadeh  & Daniel Bonn
 NATURE COMMUNICATIONS | (2018) 9:4191 | DOI: 10.1038/s41467-018-06689-x C.C.4.0

 

Cette même séquence  figure dans la vidéo suivante :

Reproduit de Singular sublimation of ice and snow crystals
Etienne Jambon-Puillet , Noushine Shahidzadeh  & Daniel Bonn
NATURE COMMUNICATIONS | (2018) 9:4191 |
DOI: 10.1038/s41467-018-06689-x C.C.4.0

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La figure suivante montre l’excellent accord théorie-expérience obtenu par les chercheurs d’Amsterdam. Elle présente le profil d’évaporation d’une goutte de glace dans l’air relevé toutes les 15 minutes et le profil correspondant obtenu par simulation à partir du modèle de diffusion des molécules d’eau dans la vapeur.

Fig.3. Profils expérimentaux et numériques pris toutes les 15 minutes pour une même goutte de glace se sublimant Reproduit de Singular sublimation of ice and snow crystals Etienne Jambon-Puillet , Noushine Shahidzadeh & Daniel Bonn NATURE COMMUNICATIONS | (2018) 9:4191 | DOI: 10.1038/s41467-018-06689-x C.C.4.0

Fig.2. Profils expérimentaux et numériques pris toutes les 15 minutes pour une même goutte de glace se sublimant
Reproduit de Singular sublimation of ice and snow crystals
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L’accord entre expérience et simulation est excellent.

La sublimation des cristaux de neige

Le  début d’évaporation de la goutte de glace à pointe  est dominé par la région de forte courbure  qu’est la pointe. On observe qualitativement le même comportement des cristaux de neige (Fig.3.a) avec un départ de sublimation sur les protubérances. Ceci incita les chercheurs à tester leur modèle pour l’évaporation de la goutte de glace sur les cristaux de neige. ils l’ont adapté pour tenir compte de l’interaction possible entre les protubérances et ont obtenu là aussi un excellent accord (Fig.3.)

Fig.4. Sublimation d’un flocon de neige a)Suite d’images montrant un cristal de neige s’évaporant (adapté de K. Libbrecht ©2007, 2010 avec autorisation) b) Images d’une simulation 3D du même flocon de neige avec les paramètres suivants : épaisseur de 0,2 mm supposée uniforme, température du substrat Ts = - 10°C, air sec extérieur. Les couleurs représentent la concentration de vapeur d’eau allant de la concentration de saturation (en bleu) à la concentration nulle (en rouge). Reproduit de Singular sublimation of ice and snow crystals Etienne Jambon-Puillet , Noushine Shahidzadeh & Daniel Bonn NATURE COMMUNICATIONS | (2018) 9:4191 | DOI: 10.1038/s41467-018-06689-x C.C.4.0

Fig.3. Sublimation d’un flocon de neige
a) Suite d’images montrant un cristal de neige s’évaporant (adapté de K. Libbrecht ©2007, 2010 avec autorisation)
b) Images d’une simulation 3D du même flocon de neige avec les paramètres suivants : épaisseur de 0,2 mm supposée uniforme, température du substrat Ts = – 10°C, air sec extérieur. Les couleurs représentent la concentration de vapeur d’eau allant de la concentration de saturation (en bleu) à la concentration nulle (en rouge).
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Etienne Jambon-Puillet , Noushine Shahidzadeh & Daniel Bonn
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On peut observer sur la vidéo suivante le déroulement complet de la simulation de la Fig.3b ci-dessus.

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Etienne Jambon-Puillet , Noushine Shahidzadeh  & Daniel Bonn
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Le bon accord entre la simulation et l’évolution temporelle du flocon réel de neige permet d’affirmer que celle-ci ne dépend que de la diffusion au voisinage des protubérances.

Ces résultats trouvent une application dans les études sur le vieillissement de la neige ou sur la fonte des glaces. Cette méthode est assez générale pour pouvoir s’appliquer à bien des problèmes de diffusion sans conditions aux limites comme la dissolution de solides dans un solvant. On pourra ainsi contrôler le poli des surfaces de solides durant leur synthèse ou encore d’optimiser les formes cristallines afin de faciliter la dissolution d’un médicament.

 

 

Pour en savoir plus :

Singular sublimation of ice and snow crystals
Etienne Jambon-Puillet , Noushine Shahidzadeh  & Daniel Bonn
NATURE COMMUNICATIONS | (2018) 9:4191 | DOI: 10.1038/s41467-018-06689-x