Nous sommes à une époque où les scientifiques peuvent détecter l'infiniment petit des particules qui donnent une masse aux atomes et sonder certains des mystères les plus profonds de la biologie, comme la façon dont les expériences et les souvenirs peuvent être transmis à travers les gènes d'un organisme.
Il peut donc être surprenant que nous ne comprenions toujours pas la mécanique d’un phénomène naturel relativement simple: la neige.
La formation de flocons de neige - essentiellement la manière particulière dont l'eau se cristallise lorsqu'elle est suspendue dans notre atmosphère - est un processus extrêmement complexe qui n'a pas encore été complètement décrit par des formules scientifiques. «Les gens pensent qu’un flocon de neige n’est qu’une goutte de pluie gelée», explique Kenneth Libbrecht, professeur de physique à Caltech, qui étudie depuis plusieurs décennies le processus de formation du flocon de neige. "Mais c'est de la neige fondue, juste de petits glaçons, et pas très près de ce qu'est un flocon de neige."
Un flocon de neige grandit dans le laboratoire de Libbrecht, accéléré
Au cours de ses recherches, les travaux de Libbrecht ont évolué pour englober l’art et la science. Il a publié à la fois des articles scientifiques et des centaines de belles photos de flocons de neige naturels (qu'il a publiés dans plusieurs livres et sur des timbres postaux américains). Il a également mis au point des méthodes ingénieuses pour faire pousser artificiellement des flocons de neige dans un laboratoire afin d'étudier leur formation au microscope.
Mais tout a commencé, dit-il, par un voyage de retour dans sa maison natale du Dakota du Nord. "Je rendais visite à ma famille là-bas et je suis sorti, et il y avait toute cette neige sur le sol", dit-il. "J'ai soudainement pensé: 'Pourquoi est-ce que je ne comprends pas mieux ces flocons de neige?'"
Cela a amené Libbrecht à commencer à étudier la dynamique de la formation de flocons de neige dans son laboratoire, entre des recherches sur des sujets plus ésotériques tels que les lasers à diode rotatifs et le bruit émis par les supernovae. "Je me suis rendu compte que beaucoup de choses sur les flocons de neige ne sont tout simplement pas très bien comprises et que la glace est un matériau relativement peu coûteux sur lequel travailler", dit-il.
La formation même d'un seul flocon de neige est un événement complexe au niveau moléculaire. Dans la nature, cela commence lorsque la vapeur d'eau d'un nuage se condense en gouttelettes d'eau. Même à des températures inférieures au point de congélation, la plupart de ces gouttelettes restent généralement sous forme liquide, car elles ont besoin d’une particule sur laquelle geler: une particule de poussière ou quelques molécules d’eau qui se sont disposées dans la matrice hexagonale qui caractérise la glace.
Une fois que les gouttelettes commencent à cristalliser sur une particule centrale, le processus s'accélère rapidement. Avec un noyau de cristal en place, les molécules d’eau en surfusion dans les gouttelettes d’eau environnantes se condensent facilement sur le cristal, ce qui contribue à sa croissance de manière géométriquement régulière. Au moment où le grand cristal (que nous appelons un flocon de neige) a quitté le nuage, Libbrecht estime qu'il aura éliminé l'eau d'environ 100 000 gouttelettes à proximité.
Tout cela peut sembler simple, mais comme Libbrecht et d’autres scientifiques l’ont découvert, de légers changements dans les conditions de ces cristaux - l’humidité et la température du nuage, pour commencer - peuvent donner lieu à des flocons d’une apparence radicalement différente. Pour mieux comprendre cette dynamique, réalisa Libbrecht, il avait besoin d'un moyen d'observer le processus de croissance actuel des flocons de neige. Sans moyen de s’enfoncer dans un nuage flottant, il a décidé de mettre au point une méthode de culture artificielle de flocons de neige dans son laboratoire californien.
"Il n'est pas facile de faire pousser un cristal de telle manière qu'il ressemble à un flocon de neige", dit-il. "Si vous voulez du givre - juste un tas de cristaux qui poussent tous en même temps - c'est assez simple, mais les cristaux individuels sont plus difficiles."
Le procédé de Libbrecht, développé au cours des dernières années, est réalisé dans une chambre froide et prend environ 45 minutes au total. Il commence avec un morceau de verre parfaitement propre et y applique de nombreux cristaux de glace microscopiques. Avec un microscope, il isole un cristal particulier, puis souffle de l'air humide légèrement plus chaud sur le verre. La vapeur d'eau se condense sur le germe, comme dans un vrai nuage, pour former un flocon de neige visible.
En travaillant avec ce processus, Libbrecht a déterminé les niveaux de température et d'humidité qui ont conduit à chaque type de flocon de neige. "Je les appelle des" flocons de neige de designer ", car vous pouvez modifier les conditions à mesure que vous les cultivez et prédire à quoi elles vont ressembler", dit-il. Entre autres choses, il a constaté qu'un flocon de neige à bord mince se développait plus rapidement, ce qui accentuait la netteté du bord, aboutissant finalement à un éclat relativement important. Les flocons de neige qui commencent par des bords moins nets se développent toutefois plus lentement et restent émoussés, ce qui conduit à des prismes en blocs plutôt qu’à des plaques élégantes.
Finalement, quand Libbrecht a voulu publier un livre sur son travail, il a découvert que, même s'ils étaient bons pour leur époque, la plupart des photos de flocons de neige disponibles étaient périmées, comme celles prises par Wilson Bentley dans les années 1930. En réponse, il a commencé à les photographier lui-même en haute résolution, en utilisant un équipement spécialisé et parfois des lumières colorées pour donner aux flocons clairs une couleur et une profondeur accrues.
Qu'en est-il de l'idée commune qu'il n'y a pas deux flocons de neige identiques? "Tout le monde me demande toujours ça", dit Libbrecht.
Il s’avère que la réponse est un problème mathématique. Si vous définissez un flocon de neige comme une simple dizaine de molécules d’eau, il est alors possible que deux flocons différents soient identiques au niveau moléculaire. Mais pour un flocon de taille normale, dit-il, il est extrêmement improbable que vous sélectionniez deux substances identiques se produisant naturellement, de la même manière que la probabilité de deux empreintes digitales humaines identiques est extrêmement petite. "Une fois que vous commencez à rendre les choses encore un peu compliquées, le nombre de possibilités augmente de façon astronomique, et la probabilité d'avoir même deux flocons de neige qui se ressemblent à distance tombe à zéro", dit-il.
