Pourquoi la glace est-elle transparente et la neige blanche ?
– Une même « glace », deux aspects très différents
Un glaçon sorti du congélateur est un bloc transparent : on voit à travers. Pourtant, la neige qui tombe du ciel ou qui recouvre le sol paraît d'un blanc éclatant. Toutes deux sont de l'eau gelée (de la glace). Pourquoi ont-elles un aspect si différent ?
Quand on prend un glaçon, on peut distinguer, même vaguement, la forme des objets derrière lui. Un bonhomme de neige ou un tapis de neige, en revanche, présente un blanc éblouissant qui ne laisse passer aucune lumière.
Glace et neige ont pourtant exactement la même composition : de l'eau gelée. Et pourtant, l'une est transparente, l'autre blanche. Cette différence vient, dit-on, non de la couleur elle-même, mais de la façon dont la glace est agencée.
Quelle est donc la structure de la neige, et en quoi diffère-t-elle de celle de la glace ?
L'intérieur d'un gros bloc de glace est presque uniforme, et la lumière peut y avancer sans être gênée.
Chaque fois que la lumière franchit la limite entre un cristal de neige et l'air, elle est déviée (diffusée) et part dans toutes les directions.
Voyons pas à pas cette différence de diffusion de la lumière.
Pourquoi un bloc de glace est-il transparent ?
Chaque fois que la lumière franchit la limite entre deux matières différentes (par exemple l'air et la glace), une partie est réfléchie et sa direction est infléchie (réfraction). Dans un gros bloc de glace, il n'y a presque aucune limite de ce genre. Hormis un peu de réflexion et de réfraction en surface, la lumière avance sans être gênée : on voit donc le paysage de l'autre côté.
La neige : d'innombrables petits grains de glace et de l'air entre eux
La neige naît de la vapeur d'eau de l'air qui gèle : c'est, dit-on, un amas de cristaux de glace très fins, empilés en nombre immense. Entre les cristaux se trouvent de nombreux vides remplis d'air. À l'intérieur de la neige, il existe donc une infinité de limites entre deux matières différentes, la « glace » et l'« air ».
Ce sont d'innombrables fragments de glace incolore et transparente qui, en renvoyant la lumière dans tous les sens, la font paraître blanche.
La lumière change de direction à chaque limite entre glace et air
La lumière qui progresse dans la neige se réfléchit et se réfracte un peu à chaque limite entre un cristal de glace et l'air. Ces limites étant extrêmement nombreuses, la lumière est déviée encore et encore (diffusion multiple), puis ressort de la neige dans toutes les directions. Cette lumière dispersée atteint nos yeux, et l'on pense que c'est pourquoi la neige paraît éclatante et blanche.
Nuages, mousse de savon, lait, verre pilé… des matières en réalité incolores ou translucides qui paraissent blanches, on en croise beaucoup. Dans bien des cas, comme pour la neige, l'une des raisons serait que d'innombrables fines particules ou bulles diffusent la lumière à de multiples reprises.
À vérifier soi-même
- Prenez un glaçon transparent (un glaçon de bac ou de congélateur convient)
- Après avoir constaté qu'on voit à travers, enveloppez-le dans un linge propre et écrasez-le finement (avec prudence)
- Regardez la glace pilée (comme pour une granité) et notez comment sa transparence a changé
- Constatez que plus on l'écrase finement, plus elle paraît blanchâtre
En écrasant simplement un glaçon transparent, vous verrez de vos propres yeux qu'il prend un aspect blanchâtre, comme la neige.
En résumé
La glace paraît transparente parce qu'elle contient peu de limites qui gênent la lumière, laquelle la traverse facilement en ligne droite. La neige, elle, paraît blanche parce qu'elle contient d'innombrables petits grains de glace et poches d'air : à chaque limite, la lumière change de direction et se disperse dans tous les sens, pense-t-on. Même « eau gelée », selon la manière dont elle est assemblée, l'aspect est complètement différent.
Le blanc de la neige n'est pas une couleur : c'est un assemblage transparent, né de l'accumulation d'innombrables petits rebonds de lumière.
Pour aller plus loin – termes, valeurs et lien avec les manuelsDu collège aux sujets de recherche : le niveau de chaque partie est indiqué
- CollègeAu programme de sciences du collège
- LycéeAu programme de « physique de base » du lycée
- Lycée+« Physique » du lycée, ou contenu approfondi ou encadré des manuels
- Univ.Non vu au lycée : matière universitaire (optique)
- RecherchePas même enseigné comme acquis à l'université : sujet que les chercheurs étudient en ce moment
CollègeTermes : le vocabulaire de l'aspect de la glace et de la neige
- Réfraction : phénomène par lequel la lumière change de direction à la limite entre deux matières différentes.
- Diffusion : dispersion de la lumière dans diverses directions quand elle heurte un objet.
- Diffusion multiple : diffusion répétée de la lumière, encore et encore.
LycéeVérifier par le calcul : combien de lumière directe perd-on à chaque limite ?
Supposons qu'à chaque limite, une partie de la lumière change de direction. Calculons, avec un modèle simplifié, la proportion de lumière qui continue tout droit.
proportion de lumière directe = proportion précédente × 0,5 (à chaque limite franchie)
| × 0,5 | D'après un modèle indicatif : à chaque limite, environ la moitié de la lumière change de direction |
| Après la 1re limite | 100 × 0,5 ＝ 50 |
| Après la 2e limite | 50 × 0,5 ＝ 25 |
| Après la 3e limite | 25 × 0,5 ＝ 12,5 |
| Après la 4e limite | 12,5 × 0,5 ＝ 6,25 |
| Résultat | Après seulement 4 limites, la lumière qui va tout droit tombe à environ 6 % |
Dans la vraie neige, il y aurait bien plus de limites que cela : même ce calcul simplifié laisse imaginer que même une couche de neige très mince laisse difficilement passer la lumière en ligne droite.
* La valeur « 50 % par limite » est un modèle indicatif simplifié pour comprendre le mécanisme. La proportion réelle varie, dit-on, avec la taille et le tassement des grains de glace.
Lycée+Pourquoi toutes les couleurs sont-elles diffusées de la même façon ?
Si la neige ne prend aucune teinte et paraît uniformément blanche, c'est, dit-on, parce que la glace n'absorbe presque aucune longueur d'onde (couleur) de la lumière visible et la laisse passer. Toutes les couleurs sont diffusées de la même façon et se mêlent avant d'atteindre l'œil : on pense que c'est pourquoi nous percevons du blanc.
Univ.Modéliser la diffusion multiple : les modèles de l'optique
En optique, des recherches modélisent par des méthodes statistiques le phénomène où de nombreuses particules minuscules diffusent la lumière à répétition, comme dans la neige ou les nuages. Ces modèles sont aussi jugés importants pour estimer avec précision la réflectivité de la neige (l'albédo).
RechercheCe qui n'est pas encore clair
- Dans quelle mesure la forme et la densité des cristaux de neige influencent finement la réflectivité (l'albédo) reste un sujet d'études détaillées en optique et en glaciologie.
- Comment la réflectivité de la neige et de la glace évolue avec le changement climatique mondial, et comment elle influe sur la hausse des températures (le phénomène appelé rétroaction de l'albédo neige-glace) est aussi une question majeure des sciences du climat.
- La recherche et le développement de techniques de télédétection pour observer avec précision l'état de la neige et de la glace depuis des satellites se poursuivent aussi.
Même un paysage de neige d'un blanc pur cache un sujet riche, à la croisée de l'optique et des sciences du climat, toujours en cours d'étude.
Lien avec les manuels (par niveau)
| Niveau | Matière · chapitre | Où dans cet article |
|---|---|---|
| Collège | Sciences · propriétés de la lumière | Termes de base : réfraction, diffusion, diffusion multiple |
| Lycée | Physique de base · réflexion et réfraction | Calcul de la perte de lumière à chaque limite |
| Lycée+ | Physique · longueur d'onde et couleur (approfondi) | Pourquoi l'absorption ne varie pas selon les couleurs |
| Univ. | Optique | Modèle statistique de diffusion multiple et réflectivité |
| Recherche | Glaciologie et sciences du climat (en cours) | Rétroaction de l'albédo neige-glace, techniques de télédétection |
- Explications sur la réflexion, la réfraction et la diffusion de la lumière dans les manuels de physique.
- Explications sur les propriétés optiques de la neige (réflectivité) dans les ouvrages de glaciologie.
- Revue de recherche sur la rétroaction de l'albédo neige-glace en sciences du climat.
- Revue de recherche sur la modélisation de la diffusion multiple en optique.
- Explications sur les techniques de surveillance de la neige et de la glace par satellite en télédétection.
* La proportion de lumière modifiée à chaque limite est un modèle indicatif simplifié pour comprendre le mécanisme. Les propriétés optiques de la vraie neige peuvent varier, dit-on, selon la forme et la densité des cristaux.
* Cet article est une explication scientifique grand public. Quand vous jouez avec la glace ou la neige, prenez garde aux chutes sur les sols glissants et au froid, qui peut nuire à la santé.