surfusion

La définition du degré 0 °C dans l' échelle Celsius se fait à partir de la fusion de la glace sous la pression atmosphérique normale ; cette température de fusion, comme le rappelle l'article abordant le diagramme de phases de l'eau, reste en fait pratiquement la même dans toute l' atmosphère quelle que soit la valeur de la pression . On peut en déduire que les particules d'eau dans l' air sont fondues, c'est-à-dire à l'état liquide, au-dessus de 0 °C, et qu'elles passent à l'état solide au-dessous de 0 °C : et c'est bien ce qui survient habituellement autour de nous, près du sol ou de l'eau douce. Pourtant, tel n'est pas toujours le cas, loin de là, au sein de l'atmosphère : l'eau peut s'y condenser sous forme de gouttes ou de gouttelettes en étant surfondue , c'est-à-dire à l'état liquide dans un air à température inférieure à 0 °C. L'état physique correspondant, appelé la surfusion, est un exemple d'état métastable , dans lequel le système matériel que l'on considère se maintient en déséquilibre énergétique sans atteindre (sinon avec une extrême lenteur) l'état d'équilibre où il devrait se trouver après avoir perdu son excès d'énergie. La surfusion persiste tant que les particules d'eau liquide ne seraient capables que d'engendrer des germes solides de dimensions trop faibles, dont les surfaces se composeraient donc de molécules maintenues par des forces internes trop peu intenses ; inversement, la formation brutale de germes de glace à partir de surfaces irrégulières — sol, objets, aéronefs, etc. — ou autour d'impuretés et de noyaux de congélation en suspension dans l'air interrompt la surfusion et provoque la congélation immédiate des gouttes ou gouttelettes.

La surfusion de l'eau, présentée en physique comme un phénomène plutôt exceptionnel, est en réalité la règle en météorologie pour tout ce qui concerne les nuages et hydrométéores, au sein desquels les particules peuvent rester liquides jusque vers - 30, voire - 40 °C ; en même temps, des cristaux de glace commencent à apparaître en altitude, surtout à partir de - 10 °C environ. Il en résulte que des particules d'eau surfondue et de glace cohabitent dans une grande partie des nuages : si, dans ceux de l' étage supérieur , les gouttes ou gouttelettes surfondues restent rares et fugaces, elles prédominent dans ceux de l' étage moyen et apparaissent dans les parties élevées des cumulonimbus et de certains cumulus . Cette coexistence de particules liquides en surfusion et de cristaux de glace joue un rôle essentiel, à travers l' effet Bergeron , dans la mise en route de la plupart des précipitations ; au cours de ce processus, de la vapeur d'eau en sursaturation par rapport à la glace est émise par les gouttelettes d'eau surfondue et vient grossir les cristaux de glace ou les noyaux de congélation préexistants. La surfusion intervient également à côté de la coalescence dans la formation des grêlons , dont les noyaux de glace, au cours de leurs ascendances et subsidences alternées, captent des successions de gouttes de pluie surfondues.

Le contact direct de particules liquides en surfusion avec des matériaux solides provoque le givre , qui dépose instantanément sur ces matériaux une masse de glace parfois importante et peut présenter un danger particulier pour les toits, les câbles aériens, etc., et surtout pour les avions et, parfois aussi, les navires. Outre les risques ainsi suscités par certains nuages et par les brouillards givrants , le phénomène de surfusion est bien sûr à l'origine des dangers de dérapage sur la chaussée ou le trottoir dus à la congélation de pluies ou de bruines verglaçantes et à la formation de couches de verglas ; alors, dans le salage des voies, du chlorure de sodium est répandu de façon à ce que ses ions forment avec les molécules de l'eau précipitée ou déposée un mélange dit "eutectique", dont les phases se différencieront comme celles d'un corps pur ayant une température de fusion nettement plus basse que celle de l'eau.

Lorsqu'une particule liquide (P) d'un corps pur présente une interface (S) avec le vide ou avec un gaz, les molécules composant cette interface n'ont pas le même comportement que celles qui se trouvent au sein de cette particule : ces dernières sont soumises chacune à des forces d'interaction exercées sur elles par les molécules voisines, mais ces forces, également réparties dans l'espace, se compensent de façon que leur résultante s'annule en chaque molécule ; sur (S), par contre, chacune des molécules est entourée par un nombre moindre d'autres molécules réparties seulement autour et en deçà d'elle, de sorte que la résultante des forces d'interaction y est non nulle, perpendiculaire à (S) et dirigée vers l'intérieur de (P). Ainsi, la frontière de (P) est analogue à une pellicule sur laquelle s'exercerait en chaque point une pression due à cette limitation spatiale du liquide ; pareille pression tend à réduire l'interface qui correspond à une masse donnée du corps pur : par exemple, les particules d'eau liquide se condensent dans l' atmosphère sous forme de gouttes ou gouttelettes sphériques, la surface de la sphère étant la plus petite surface possible d'un volume dont la valeur est fixée.

Examinons alors comment l'interface de (P) peut être accrue d'une surface élémentaire (δS), assimilable à un rectangle ABCD dont les côtés AD et AB ont respectivement les longueurs très petites δx et δy : cet accroissement s'obtient par exemple en ajoutant l'aire élémentaire δS = δx δy par translation de AB à DC du segment de droite EF ayant pour milieu M. D'après ce que nous venons de dire, l'action exercée par la "pression superficielle" sur la pellicule tendrait à ramener EF à sa position initiale AB ; pour assurer l'extension de l'interface sur l'aire δS , il faut donc appliquer en M une force compensatrice F (M) tangente à l'interface, perpendiculaire à EF et dirigée de AB vers DC : l'intensité F (M) de cette force s'écrit sous la forme F (M) = a δx , où le coefficient a , mesurable en N.m ^{- 1} , est appelé la tension superficielle . Ce coefficient dépend du corps pur liquide et, éventuellement, du gaz qui lui fait face ; en outre, il décroît rapidement quand la température s'élève, cette élévation augmentant l'agitation des molécules superficielles. Le travail élémentaire δW(M) alors effectué par la force F (M) lors du déplacement de EF est égal à ( a δx ) δy , soit δW(M) = a δS : la tension superficielle est donc mesurable aussi bien en J.m ^{- 2} et peut être considérée comme l'énergie que doit recevoir le corps pur liquide pour augmenter son interface d'une unité d'aire ; en particulier, pour que la particule (P) puisse se maintenir dans le volume qu'elle occupe, il lui faut emprunter à son environnement une quantité E _s d'énergie (chimique) égale à a S .

Supposons que cette particule soit une goutte ou une gouttelette d'eau en suspension dans l' air et observons le cas où elle subit une congélation en un germe sphérique de glace , de masse volumique ρ et de rayon r : la transformation de (P) suppose de la part de ce germe une absorption — positive — d'énergie E _s , mais aussi une émission — négative — d'énergie E _LS due à la transition de phase liquide-solide ; on a E _LS = - ρ V L _SL , où L _SL est la chaleur latente de fusion de l'eau (positive) et V , le volume du germe, pratiquement égal à (1/3) S r . Pour que (P) se transforme, il est alors nécessaire qu'elle soit plus stable en phase solide qu'en phase liquide, ce qui exige l'inégalité E _s + E _LS < 0="" ou="" encore="" (1/3)="">S r ρ L _SL > a S , soit finalement :

r > 3 a / (ρ L _SL )

Dans l'atmosphère, cette condition n'est généralement pas satisfaite à 0 °C , et la surfusion des particules liquides subsiste tant qu'elles ne pourraient engendrer que des germes solides de rayon r trop faible : pour que la transition ait lieu, il faut soit que se produise une secousse, soit que r caractérise en fait une surface solide rugueuse ou un noyau de congélation.