Le gel d’un lac

20 01 2013

Le gel d’un lac en hiver est toujours une expérience amusante. Qui ne s’est jamais amusé à tester l’épaisseur de la couche de glace pour savoir si elle pouvait supporter son propre poids ?

Route de glace

Bien que le gel d’un lac soit un phénomène relativement courant sous nos latitudes, que savons nous à son propos ? Pourquoi la glace se forme t-elle en surface ? Se forme t-elle de manière homogène sur tout le lac ?

Afin de répondre à ces questions il faut commencer par s’intéresser aux propriétés étonnantes de l’eau. Nous savons que ce composé est à l’équilibre sous forme solide en dessous de 0°C à pression atmosphérique. Nous savons aussi que l’eau sous forme solide est 10% moins dense que sa forme liquide. Cette propriété propre à l’eau explique que la banquise flotte sur les océans ou que nos glaçons reste à la surface d’un verre d’eau. Enfin une autre propriété remarquable de l’eau liquide est d’avoir une densité maximale pour une température de 4°C. C’est-à-dire que pour des températures inférieures et supérieures, celle ci sera moins dense que de l’eau à 4°C. La dépendance de la densité de l’eau avec sa température est représentée plus en détail sur le graphique ci dessous.

Densité_température

Généralement dans un lac toute l’eau n’est pas à la même température. D’après la propriété précédente cela implique qu’il existe des zones de densité différentes. Ces zones vont s’organiser dans la profondeur du lac, les plus denses migrant vers le fond et les moins denses vers la surface.

En été, lorsque la température extérieure est supérieure à 4°C, l’eau la plus chaude est aussi la moins dense et remonte vers la surface. A l’inverse la plus froide (au minimum à 4°C) repose au fond. Cette stratification de la température de l’eau en fonction de la profondeur est une expérience courante pour les baigneurs dans un lac ou une piscine (quoique souvent trompeuse si on test la température de l’eau à la main avant d’y plonger !).

En revanche en hiver quand la température devient inférieure à 4°C, l’eau la plus chaude (au maximum à 4°C) est aussi la plus dense et migre vers le fond du lac. A l’inverse l’eau la plus froide (au minimum à 0°C) remonte vers la surface. En hiver il y a donc une inversion de la stratification de la température dans le lac. Le baigneur ne se fera donc plus surprendre en trempant au préalable la main dans le lac !

baignade lac gelé

Au contact d’un atmosphère extérieure sous les 0°C, l’eau en surface va pouvoir se transformer en glace. Le  fait que la glace se forme en surface provient donc de la dépendance de la densité de l’eau avec la température. De plus cette situation est rendue stable par le fait que l’eau solide est plus légère que celle liquide. C’est-à-dire qu’une fois la glace formée, celle-ci va rester en surface pour constituer une couche épaisse.

Il faut noter que la plupart des composés connus ont, contrairement à l’eau, une forme solide plus dense que leur forme liquide. Si on imaginait un lac d’un autre liquide (huile, alcool, etc..), la glace y coulerait et celui-ci se solidifierait par le fond. Dans ce cas la plupart de la vie aquatique aurait fini congelée au cours de l’évolution…

Mais quelle énergie faut t-il au juste pour geler un lac ? L’eau liquide a besoin de 4,18 joules par gramme d’eau pour se refroidir de 1°C et de 334 joules par gramme pour se solidifier. Pour refroidir de 20°C à 4°C le lac Léman il faut donc environ 6×10 18 Joules, ce qui correspond à la consommation électrique annuelle de la Norvège ! Et afin de geler une couche de 10 cm de glace sur tout la surface du même lac il faut fournir à une eau à 0°C pas moins de 2×10 16 Joules.

Cette immense quantité d’énergie est délivrée à l’atmosphère extérieure qui est en contact avec la surface du lac. Le transfert de cette énergie n’étant pas instantané, on peut comprendre qu’un certain temps soit nécessaire pour geler le lac. Il faut savoir que le taux d’énergie échangée entre l’atmosphère et le lac est proportionnel à sa surface ainsi qu’à leur différence de température respective. Plus la différence de température est importante, plus le lac refroidira et gèlera rapidement. Aussi plus le lac aura une grande surface par rapport à son volume, plus le transfert d’énergie permettra de geler rapidement tout le lac. Une petite flaque dans la rue se glacera facilement lors d’une nuit froide alors qu’il faut plusieurs semaines défilées de grand froid pour faire prendre le lac Léman.

Ce rapport entre la surface d’échange d’énergie pour refroidir un volume d’eau nous permet aussi de déterminer les zones du lac les plus sensibles au gel. Aux bords du lac la profondeur y est plus faible qu’au centre, pour une même surface il correspond donc un volume d’eau sous-jacent plus faible. A condition que ces deux zones soient soumises aux mêmes conditions climatiques, elles reçoivent une même quantité d’énergie par unité de surface. La zone au bord ayant un volume d’eau plus petit à refroidir, elle gèlera en premier. Les lacs gelés prennent d’abord sur les rives et ensuite au centre, d’où le suspens en essayant de les traverser.

tumblr_mftdwce8XP1qas1mto3_1280

tumblr_mftdwce8XP1qas1mto1_1280

Les photographies précédentes ont été réalisées par le photographe Chip Phillips sur le lac Abraham dans l’Alberta. Ces colonnes de tâches blanches prises dans la couche de glace d’un lac sont dues à des plantes aquatiques. Dans la journée ces plantes relarguent du méthane, créant ainsi une bulle de gaz qui reste bloquée sous la surface de la glace et se trouve emprisonnée la nuit par la croissance de la couche de glace.

Sources :

Pourquoi la glace se forme t-elle d’abord en surface ? (#)

Science of the seasons. (#)

Lake Ice. (#)

Chip Phillips Photography. (#)





Les flocons de neige

26 12 2012

Flocon styliséCette représentation stylisée nous évoque immédiatement un flocon de neige. Mais comment savons nous au juste que les flocons possèdent cette forme ?

L’observation d’un flocon de neige est rendue difficile de part sa petite taille  et sa fonte rapide au contact d’une surface chaude. A l’oeil nu il faut être extrêmement attentif afin de distinguer la géométrie d’un flocon de neige. C’est l’emploi du microscope qui va nous permettre de découvrir réellement la forme d’un flocon de neige.

Le premier scientifique a réaliser cette observation est l’anglais Robert Hooke. Celui-ci a passé plusieurs années à ajuster des lentilles optiques afin de mettre au point un microscope performant. En 1665 il publie Micrographia où il résume ses observations du monde microscopique tel que les cellules de plantes, les yeux de mouche et la forme sexagénaire des flocons de neige.

Il a ensuite fallu attendre 1885 pour que Wilson A. Bentley prenne les premiers clichés de flocon de neige. Ce fermier dans le Vermont remarqua immédiatement l’immense diversité des flocons de neige. Fasciné par cette variété il ne cessa de les photographier pour obtenir à la fin de sa vie plus de 5000 clichés.

First Snowflake Photos

Wilson A. Bentley Snowflakes

Sur ces clichés on remarque d’abord que le flocon de neige n’est pas un objet sphérique. Il présente une structure qui s’apparent à une fine dentelle. Malgré l’incroyable diversité de forme, il existe un dénominateur commun à tous ces flocons : la présence de six branches.

Comment pouvons nous comprendre ces observations ?

Si le flocon n’est pas sphérique c’est qu’il ne provient pas directement de la solidification d’une unique goutte d’eau. En réalité il se construit par conglomération de particules de glace lors de sa chute dans l’atmosphère terrestre.

A l’origine d’un flocon se trouve une minuscule goutte d’eau d’un rayon d’environ 10 µm. Bien que l’eau se transforme en glace à 0°C, ces gouttelettes d’eau congèlent à des températures bien inférieures à 0°C. En effet, il faut attendre que par hasard les molécules d’eau de cette goutte se retrouvent arrangées comme sur un réseau de glace pour que la transition liquide-solide se fasse. Eventuellement de fines particules solides facilitent ce processus.

Une fois ce coeur de glace formé, il va rencontrer les molécules d’eau sous forme vapeur en suspension dans l’atmosphère et les fixer à sa surface. Ainsi le flocon de neige croît jusqu’à atteindre une taille millimétrique. Et si les flocons de neige possèdent toujours six branches c’est que l’eau sous forme solide s’arrange selon une structure cristalline hexagonale comme on peut le voir sur le schéma suivant.

structure hexagonale glace

La première gouttelette d’eau va donc cristalliser sous la forme d’un hexagone et présenter six faces pour la croissance des branches.

Ensuite la croissance de ces branches dépend de l’humidité et de la température des régions de l’atmosphère traversées. Cela explique pourquoi chaque flocon de neige est unique : sa géométrie dépend de son vécu. En ceci un flocon de neige est un véritable messager du ciel qui nous raconte son histoire.

Flocon neige

Sources :

Snowcrystal.com. (#)

Robert in space – Les Flocons. (#)

Wikipédia – Snowflake. (#)





Les nuages lenticulaires

27 10 2012

Cet objet non identifié dans le ciel à l’arrière de la montagne est un nuage lenticulaire.

Un nuage résulte de la montée d’une masse d’air chaud dans un environnement plus froid. La vapeur d’eau contenu dans l’air se condense alors en fines gouttelettes qui forment le nuage. Cependant la montée d’air chaud est un phénomène turbulent et se fait de manière désordonné. La plupart du temps les nuages ont des formes irrégulières et très variées.  Dans ce contexte, la forme bien dessinée et l’aspect lisse des nuages lenticulaires sont très étonnants. Demandons nous comment peuvent se former les nuages lenticulaires.

Ces nuages sont souvent présent à proximité d’une montagne. Il arrive même qu’ils la surplombent. L’image suivante en montre un exemple avec le mont Fuji protégé par son chapeau nuageux.

On remarque aussi que les nuages lenticulaires s’observent uniquement les jours où le vent souffle de manière intense dans une direction donné. Ces deux indices nous poussent à étudier l’interaction entre un vent fort et constant et un obstacle comme une montagne.

Lorsque une masse d’air rencontre une montagne elle est contrainte de se soulever (Situation A sur la figure 1). Généralement la densité de l’air décroît avec l’altitude dans l’atmosphère. La masse d’air soulevée se retrouve dans un milieu moins dense et retombe  sous l’effet de son poids après le passage de la montagne. Cette chute se fait jusqu’à une faible altitude où l’air est en comparaison plus dense. La masse d’air remonte alors sous l’effet de la poussée d’Archimède (situation B sur la figure 1). Ce phénomène de montée descente se répète plusieurs fois avant de s’atténuer.

Fig. 1 : Interaction du vent avec une montagne

Pour résumer, la présence d’une montagne soulève une masse d’air dense vers une altitude où la densité de l’air est inférieure. La masse d’air soulevée suit des oscillations haut/bas avant de retrouver son altitude d’équilibre où la densité de l’air est égale à celle de la masse d’air déplacée.

Lors de ces oscillations haut/bas, la masse d’air peut être refroidie jusqu’à atteindre son point de saturation en vapeur d’eau. Ceci entraine la formation d’un nuage (au niveau des points A et B sur la figure 1). C’est le fait que ces nuages se forment dans un écoulement d’air sinusoïdal qui explique leur aspect si particulier.

L’explication précédente montre que dans les bonnes conditions, des nuages lenticulaires peuvent se former au dessus d’une montagne et en amont de celle ci. Ce phénomène est clairement visible sur la photo suivante.

On remarque également sur cette image que les nuages lenticulaires peuvent apparaître à différentes altitudes. Ils forment ainsi une véritable pile d’assiettes renversées.

Si l’observation de ces nuages lenticulaires est si rare c’est que pour que les oscillations d’une masse d’air à l’arrière d’une montagne soient stables, il doit y avoir un accord entre la vitesse du vent et la topologie de la montagne. On pourra apercevoir des nuages lenticulaires uniquement les jours où le vent souffle dans la bonne direction avec la bonne intensité et où les conditions d’humidité permettent la formation de nuages. Ainsi le spectacle fournit par ces nuages reste exceptionnel.

Source :

Wikipédia – Altocumulus lenticularis. (#)

Wikipédia – Onde Orographique. (#)

Ciel des hommes. (#)

Nuages lenticulaires. (#)





La cafetière Moka

20 10 2012

L’emblématique cafetière Moka figurée ci dessous a démocratisé l’expresso en permettant à chacun de le déguster à la maison et non plus uniquement dans les cafés. On peut se poser la question du fonctionnement de la cafetière Moka et de ces différences avec les encombrantes machines à expresso des cafés ?

La cafetière Moka est composée de deux étages séparés par un filtre. Pour la préparation du café le réservoir du bas est rempli d’eau puis bouché par le filtre. Ensuite le filtre est rempli de café moulu et la partie supérieure visée à la base. La cafetière est placée sur le feu jusqu’à ébullition de l’eau et après quelques minutes le café est prêt dans le compartiment supérieur !

Comment expliquer la montée de l’eau dans le compartiment supérieur ? Lorsque l’eau est chauffée elle s’évapore dans le compartiment inférieur. Celui ci étant isolé, le passage de l’eau sous forme vapeur fait augmenter la pression en son sein. Cette augmentation permet à l’eau bouillante de remonter le long de la colonne centrale en se frayant un chemin à travers la café moulu. L’eau se charge des arômes de café et atteint le haut de la colonne avant de s’écouler dans l’étage supérieur de la cafetière. Le chercheur italien Concetto Gianino a étudié en détail les propriétés de ces cafetières Moka. Il a observé que la pression de la vapeur dans le compartiment du bas était supérieure  d’environ 3% à celle de l’atmosphère qui nous entoure. Cette mesure de la surpression complétée par celle du temps de passage de l’eau de l’étage inférieur à celui supérieur lui a permis de caractériser la porosité du café. Celle ci est proche d’un sable fin.

Dans son étude, Concetto Gianino met aussi fin à des idées reçues. L’augmentation de la pression dans l’étage inférieur n’est pas suffisant pour provoquer un effet « cocotte minute » selon lequel la température d’ébullition de l’eau peut largement dépasser 100°C. Tout au plus cette température d’ébullition sera augmentée d’un degré dans le cas de la cafetière Moka. Ce café n’est donc pas meilleur car il permettrait d’extraire les arômes du café à des températures supérieures à 100°C ! D’ailleurs les arômes du café sont brulés au delà de 100°C comme a pu le remarqué Brillat-Savarin aux cours de ces expériences pour  la physiologie du goût :

« J’ai essayé entre autres de faire du café dans une bouilloire à haute pression ; mais j’ai eu pour résultat un café chargé d’extractif et d’amertume, bon tout au plus à gratter le gosier d’un Cosaque. »

Mieux vallait ne pas être invité chez Brillat-Savarin à l’heure du café !

Dans le cas de la cafetière Moka, l’eau qui filtre à travers le café est à sa température d’ébullition (proche de 100°C).  Ceci la différencie de la machine à expresso où l’eau est moins chaude (environ 90°C) et traverse la poudre de café grâce à la forte pression qu’on lui applique. Le café extrait de la cafetière Moka sera donc un peu plus amer et contiendra plus de caféine que celui issu d’une machine à expresso.

La température de préparation du café moka étant plus élevée, la café risque plus facilement d’être brulé et requiert une plus grande attention lors de sa préparation. Il faut particulièrement prendre garde à ne pas laisser la cafetière Moka sur le feu une fois que toute l’eau est passée dans le compartiment du haut. Certain laisse même le couvercle supérieur ouvert pendant la préparation du café afin que la vapeur ne le brûle pas. Cependant la Moka a un ratio d’extraction du café similaire à celui d’une machine à expresso et peut produire des cafés de qualité tout à fait comparable.

Source :

Gianino C. Experimental analysis of the Italian coffee pot « moka », American Journal of Physics, 75, 43, 2007.

Wikipédia – Moka. (#)

Procrastin – Pépé le moka. (#)





L’azote liquide

20 05 2012

L’azote liquide est un liquide transparent qui a la particularité de bouillir à  -196°C à pression atmosphérique. Dans les conditions usuelles, le diazote sous forme liquide est donc nécessairement plus froid que cette température. Cette propriété fait de lui un fluide cryogénique très utilisé en biologie pour refroidir rapidement les tissus vivants.

Un liquide si froid s’évapore très rapidement à température ambiante, c’est pourquoi nous n’y sommes pas habitué. Afin de le conserver quelques heures, on le stock dans des récipients calorifugés (sur le principe des thermos à café). Ce liquide exceptionnellement froid permet d’imaginer une multitude d’expériences surprenantes. La première expérience que l’on a envie d’essayer avec l’azote liquide est celle qui consiste à plonger un solide à l’intérieur. Commençons avec une pièce de monnaie :

On remarque que les solides ont des propriétés bien différentes à cette température de -196°C. Ici une pièce de monnaie se brise facilement à l’aide d’un simple coup de marteau ce qui serait impossible habituellement. Ce phénomène est aussi vrai pour d’autres objets comme les gommes, les tickets de métro ou encore les fleurs.

Continuons en plongeant des ballons de baudruches dans un bain d’azote liquide :

Contrairement à l’intuition le ballon n’éclate pas mais rapetisse. En effet l’air qu’il contient (principalement de l’azote gazeux) se liquéfie au contact de l’azote liquide et occupe un volume bien inférieur. D’ailleurs lorsqu’on relâche des ballons noyés dans l’azote à l’air libre ils se réchauffent et retrouvent leurs tailles originelles :

L’expérience suivante consiste à jeter de l’eau chaude sur de l’azote liquide :

Cette explosion est bien inoffensive car elle ne fait que produire un nuage ! En effet au contact d’un environnement si froid, l’eau se condense en fine gouttelettes qui peuvent même congeler en minuscules cristaux. C’est exactement la composition de la brume ou d’un nuage que l’on peut observer dans la nature. Ce qui est impressionnant ici c’est la rapidité avec laquelle il se forme.

Enfin une expérience déconcertante est de tremper sa propre main dans l’azote liquide. Quoi mais vous êtes fou ? Transformer sa main en glaçon à -196°C, non merci ! Il se trouve que cette expérience est possible pendant une poignée de secondes. En effet la différence de température est telle entre notre main et l’azote liquide que lorsqu’on la plonge à l’intérieur, l’évaporation du liquide est telle qu’elle créer un fin film de vapeur qui isole notre main du liquide. Ainsi notre main ressort non mouillée et pas à -196°C. Ouf cet individu n’a pas connu une fin terrible :

Et pour finir par une note gourmande, l’azote liquide est aussi utilisé en cuisine afin de créer des glaces en quelques minutes. Et ce sans danger puisque l’azote liquide s’évapore ensuite dans l’atmosphère pour laisser de superbes crèmes glacées :

Source : Wikipédia – Azote liquide. #





Pourquoi aime t-on le chocolat ?

9 04 2012

« Si j’étais directeur d’école, je me débarrasserais du professeur d’histoire et je le remplacerais par un professeur de chocolat ; mes élèves étudieraient au moins un sujet qui les concerne tous. »

Cette phrase du célèbre auteur de Charlie et la chocolaterie, Roald Dahl, prouve que peu d’entre nous sommes capables de résister à la tentation d’un carré de chocolat. Mais d’où vient ce goût immodéré pour le chocolat ? Et que nous enseignerait un professeur de chocolat ?

Commençons par se demander de quoi est fait cet aliment. Le chocolat est composé par le beurre de cacao et par de fines particules solides de cacao et de sucre. Ces particules solides sont hydrophiles et n’ont donc pas d’affinité avec le beurre de cacao qui est une matière grasse. La dispersion des particules de cacao et de sucre dans le beurre est assurée par des molécules amphiphiles qui ont une affinité avec les deux types de composés. C’est la lécithine de soja qui assure en général ce rôle de liant entre les particules solides non grasses et le beurre de cacao.

En quoi cette composition fait du chocolat un produit exceptionnel ?

Intéressons nous dans un premier temps aux propriétés du beurre de cacao. Ce composé ne compte pas moins de 6 formes cristallines qui ont toutes des propriétés physiques différentes. Le tableau suivant regroupe ces caractéristiques physiques et gustatives :

 Crystal  Température de fusion  Propriétés gustatives
 I  17°C  Souple et friable
 II  21°C  Souple et friable
 III  26°C  Ferme mais mauvaise texture
 IV  28°C  Ferme et bonne texture
 V  34°C  Ferme, brillant et meilleure texture
 VI  36°C  Dur. Se forme en plusieurs semaines.

La forme la plus recherchée est la V qui a la propriété de devenir liquide aux alentours de 34°C. L’obtention d’un bon chocolat consiste à faire cristalliser la plus grande quantité de beurre de cacao sous cette forme cristalline. En effet c’est celle des six qui possède la meilleur texture et celle la plus stable dans le temps. De plus sous cette forme le chocolat fond dans la bouche (37°C) et pas dans la main (20°C). Le changement d’état de solide à liquide est un processus endothermique qui requiert de la chaleur. Ainsi la dégustation de chocolat procure un effet de fraîcheur en abaissant légèrement la température de notre bouche.

Dans ea cas du chocolat au lait, la température de fusion de la forme cristalline V est généralement un peu plus faible que 34°C. Il fond donc plus facilement dans la bouche ce qui explique en partie sa popularité.

L’obtention de cette forme cristalline résulte d’un procédé très délicat, le tempérage. Celui ci consiste dans un premier temps à chauffer le chocolat à 45°C afin de faire fondre toutes les formes cristallines. Ensuite le chocolat est refroidi à 27 °C ce qui permet aux formes IV et V de se former. Durant cette étape le chocolat doit être fortement agité afin d’initier la création de petits cristaux dans le beurre de cacao. Ces petits cristaux sont essentiels car ils vont ensuite servir d’initiateurs pour la cristallisation de tout le beurre de cacao. C’est donc pour les obtenir que le chocolat est d’abord refroidi à 27°C. Enfin le chocolat est porté à 31°C pour éliminer la forme IV. Le procédé de tempérage, qui permet d’obtenir un bon chocolat, consiste donc à contrôler précisément la température du chocolat ainsi que sa vitesse de refroidissement. Ces variations sont résumées sur le graphique suivant :

Il est intéressant de comparer l’apparence d’un chocolat que l’on a juste fondu puis fait refroidir à un autre où l’on a appliqué le procédé de tempérage. Le résultat de cette expérience est représentée sur la photo suivante :

On remarque bien que l’aspect du chocolat est très différent lorsque l’on a initié des petits cristaux avant de le solidifier. Ceci suggère que la composition cristalline de ces deux chocolat n’est pas la même.

Et lorsque le procédé d’obtention du chocolat n’est pas maitrisé rigoureusement, le résultat peut être encore plus décevant. C’est ce qui se passe lorsqu’on laisse une tablette fondre au soleil. Une fois refroidie elle prend souvent un aspect blanchâtre en surface qui la rend peu appétissante comme le montre la photo suivante :

En effet, dans cet exemple le processus de solidification n’est pas contrôlé. La cristallisation se fait vers une forme cristalline différente qui a un aspect moins brillant.

Nous venons de comprendre que l’extrême douceur de la texture du chocolat repose sur celle du beurre de cacao. Cependant  la texture du chocolat va aussi être reliée à la taille des particules non grasses. Au dessus d’une taille de 20 μm la langue distingue l’aspect granuleux de ces particules. Il est donc important qu’elles aient en moyenne une taille inférieure à cette limite. Pour ce faire le chocolat subit un procédé de conchage qui consiste à un fin broyage. La taille des particules solides dépend aussi du type de sucre ainsi que du composé amphiphile choisi pour lier le beurre au sucre et au cacao.

Enfin la complexité du goût du chocolat réside dans la composition chimique du cacao. Celle ci dépend de l’espèce de cacao récolté et des conditions climatiques particulières dans lequel il a poussé.

Le chocolat est un aliment capricieux dont la fabrication requiert des procédés complexes. De longues années d’expérimentation et d’innovation ont étés nécessaires aux plus grands chocolatiers pour parvenir à fabriquer le chocolat tel qu’on le connaît aujourd’hui.

Source :

Wikipédia – Chocolate. #

Science of chocolate. #

The many faces of chocolate. #





Formation de la glace

28 02 2012

Edward Aites photographie la formation de la glace entre deux polariseurs. Ses images aux couleurs fascinantes révèlent la complexité des structures cristallines qui se mettent en place lors de la solidification de l’eau.

Source : ScienceFriday. #