Pourquoi les « monstres de neige » de Zaō poussent-ils face au vent ?
― Sous zéro, les gouttelettes de nuage gèlent à l'instant du choc
En plein hiver, des « monstres de neige » se dressent sur la montagne. Ce n'est pas de la simple neige accumulée. Des gouttelettes de nuage, restées liquides malgré le gel, gèlent d'un coup en touchant un arbre, puis la glace s'allonge peu à peu vers le côté d'où vient le vent.
En hiver, à Zaō ou au mont Hakkōda, une troupe de monstres blancs surgit derrière la vitre du téléphérique. Vous l'avez peut-être déjà vue en photo ou à la télévision.
De près, on voit des pointes de glace en dents de scie, comme des queues de crevette, alignées sur un seul côté de la branche. De l'autre côté, il n'y a presque rien.
La neige tombe d'en haut : elle devrait s'accumuler sur le dessus. Pourtant, la glace pousse à l'horizontale, et toujours dans la même direction. Que se passe-t-il ?
Deux raisons seulement
Les gouttelettes des nuages et du brouillard qui enveloppent la montagne peuvent rester liquides même sous −10 °C. Elles gèlent à l'instant où elles heurtent quelque chose.
Les gouttelettes arrivent portées par le vent : elles ne frappent que le côté d'où il vient. Et plus un objet est fin et pointu, mieux il les capte. La glace continue donc de pousser vers le vent.
Ces monstres ne sont donc pas de la neige « accumulée » : l'arbre reçoit de plein fouet les gouttelettes apportées par le vent et les « colle » sur lui. Voyons cela pas à pas.
Pourquoi les gouttelettes ne gèlent-elles pas sous zéro ?
On apprend que l'eau gèle à 0 °C. Mais cela suppose qu'il existe dans l'eau un « point de départ » pour la glace. Les gouttelettes de nuage sont minuscules : on estime leur diamètre à 0,01–0,02 millimètre.
Plus une goutte est petite, moins elle a de chances de contenir une poussière servant d'amorce à la glace. Beaucoup de gouttes restent donc liquides même à −10 °C ou −20 °C. C'est la surfusion.
Une goutte en surfusion gèle d'un coup au moindre choc. Frapper une feuille ou une branche en pleine vitesse, c'est exactement ce choc. La goutte gèle sur place, et la suivante gèle par-dessus.
De petits vides subsistent entre les gouttes. La glace n'est donc pas transparente : c'est une glace blanche, pleine d'air. Le vent de nord-ouest qui souffle en hiver depuis la mer du Japon apporte beaucoup de vapeur d'eau : sur la montagne, ces gouttelettes arrivent sans cesse.
Regardez la figure 1. La glace ne se fixe que sur le côté au vent de la branche et pousse vers le vent. Plus le vent est fort, plus il apporte de gouttelettes par heure, et plus la glace s'allonge vite.
Pourquoi la glace « continue-t-elle de pousser » vers le vent ?
Devant un obstacle, les gouttelettes portées par le vent veulent contourner l'objet avec l'air. Mais elles ont une masse et ne peuvent pas tourner d'un coup. Seules celles qui n'arrivent pas à virer heurtent la surface.
L'épaisseur de l'objet joue ici un grand rôle. Devant un gros tronc, l'air commence à s'infléchir doucement, de très loin. Les petites gouttes suivent ce courant, et la plupart évitent le tronc.
Devant une feuille ou une brindille fine, l'air tourne brusquement tout près. Les gouttes ne suivent pas : elles filent droit et heurtent l'obstacle. Plus un objet est fin, mieux il capte les gouttes (figure 2).
On comprend alors pourquoi la glace s'étire sans cesse vers le vent. La pointe de la glace déjà formée est elle-même une « saillie fine et pointue ». Les gouttes suivantes la frappent donc en premier, et la glace avance toujours plus face au vent.
Sur ces queues de crevette formées sur chaque branche, la neige qui tombe vient ensuite s'accrocher. Glace et neige se superposent tour à tour, et l'arbre devient une masse blanche de plusieurs mètres. Voilà les « monstres de neige ».
Pour de grands monstres de neige, il faut réunir un fort vent saisonnier chargé de gouttelettes en surfusion, une quantité de neige modérée, et des conifères (comme le sapin d'Aomori) dont les aiguilles fines retiennent bien la neige. Au Japon, on les trouve surtout dans quelques montagnes du Tōhoku, comme Zaō, Hakkōda et Hachimantai.
La direction des queues de crevette indique d'où le vent a le plus soufflé cet hiver-là. Chez les randonneurs d'hiver, on raconte qu'elle sert aussi de repère quand le brouillard masque la vue.
En résumé
Les monstres de neige se forment quand des gouttelettes de nuage, restées liquides sous zéro, gèlent en touchant un arbre. Portées par le vent, elles ne frappent que la face au vent. Et comme les pointes fines captent mieux les gouttes, la pointe de glace déjà formée en attire encore d'autres : la glace continue de pousser face au vent.
Un monstre de neige n'est pas de la neige accumulée.
C'est la trace laissée par un arbre qui a reçu de plein fouet une « eau qui ne demande qu'à geler », apportée par le vent.
Le mécanisme de l'eau qui ne gèle pas sous 0 °C est expliqué dans « On m'a appris que l'eau gèle à 0 °C : pourquoi y a-t-il de l'eau liquide à −20 °C ? », et un autre phénomène où la glace pousse depuis le sol en hiver dans « Pourquoi les aiguilles de glace sortent-elles de la terre ? ».
- Par un matin froid et brumeux, observez le grillage d'une clôture, de fines branches ou l'herbe près d'un fil électrique. Cherchez de petits grains de glace blanche.
- S'il y en a, regardez de quel côté ils sont les plus nombreux. Notez aussi cette direction avec l'appli boussole de votre téléphone.
- Au même endroit, comparez un fil de fer fin et un gros poteau. Y a-t-il plus de glace sur le plus fin ?
Même en plaine, on voit parfois de petits givres par un matin de brouillard glacial. Regardez où vous mettez les pieds : les chemins gelés sont glissants.
Pour aller plus loin ― termes, formules, lien avec les manuelsDu collège à l'université : le niveau de chaque passage est indiqué
- CollègeProgramme de sciences du collège
- LycéeProgramme du lycée (sciences de la Terre, physique)
- Lycée+Approfondissement du lycée, ou encadré de manuel
- Univ.Cours d'université non vus au lycée (physique des nuages, mécanique des fluides)
- RechercheQuestions que les chercheurs étudient encore, non considérées comme établies
CollègeVocabulaire : ce phénomène a des noms
- Surfusion : état d'un liquide qui reste liquide sous 0 °C faute d'amorce pour geler.
- Givre (muhyō) : glace formée quand des gouttelettes de brouillard ou de nuage gèlent sur des arbres, etc., sous zéro. Les monstres de neige en sont l'exemple type.
- Givrage (chakuhyō) : nom général du gel de gouttelettes en surfusion sur des surfaces (arbres, fils électriques, bâtiments).
CollègeLycéeVérifier par la formule : de combien la glace pousse-t-elle en une heure ?
On calcule l'eau apportée par le vent sur la branche chaque seconde, puis l'épaisseur de glace qu'elle donnerait. Toutes les valeurs sont indicatives ; la croissance réelle varie beaucoup avec le temps.
| En symboles | (vitesse de croissance) = E × w × v ÷ ρ |
| En mots | Épaisseur gagnée en 1 s = taux de capture × eau par mètre cube d'air × vitesse du vent ÷ densité de la glace |
| D'où vient-elle ? | De la conservation de la masse : la masse d'eau apportée à la surface (quantité d'eau × vitesse du vent) se transforme entièrement en glace pour la part captée. Divisée par la densité, la masse donne un volume, donc une épaisseur |
| Symbole | Sens et unité |
| w (eau du nuage) | 0,3 g par mètre cube d'air (dans le brouillard de montagne, environ 0,1–0,5 g) |
| v (vent) | 10 m par seconde |
| E (taux de capture) | 0,5 (valeur indicative pour une feuille ou brindille fine ; bien plus faible pour un gros tronc) |
| ρ (densité du givre) | 400000 g par mètre cube (moins de la moitié de la glace ordinaire, car il contient de l'air) |
| Eau apportée sur 1 m² en 1 s (g) | 0.3 × 10 ＝ 3 |
| Part captée (g) | 3 × 0.5 ＝ 1.5 |
| Accumulation en 1 h (3600 s) (g) | 1.5 × 3600 ＝ 5400 |
| Conversion en épaisseur de glace (m) | 5400 ÷ 400000 ＝ 0.0135 |
| Conversion en centimètres (cm) | 0.0135 × 100 ＝ 1.35 |
| Longueur gagnée en 1 jour (24 h) (cm) | 1.35 × 24 ＝ 32.4 |
Cela donne environ 1,4 centimètre par heure, et plus de 30 centimètres par jour. En une nuit, une glace plus large qu'une paume de main s'allonge donc face au vent. La formule montre que la vitesse de croissance est proportionnelle à la vitesse du vent. Le curseur de la figure 1 utilise exactement cette formule.
LycéeLycée+Pourquoi les gouttes ne gèlent pas, et pourquoi la glace est blanche
LycéePour que l'eau gèle, il faut qu'un petit germe de glace se forme. Plus une goutte est petite, moins elle contient de poussières à l'origine de ce germe (noyaux glaçogènes), et plus elle reste en surfusion. De plus, la chaleur dégagée en gelant (chaleur de solidification) s'échappe vite dans l'air froid ambiant : la goutte qui heurte l'obstacle gèle en un instant.
Lycée+Quand les gouttes gèlent une à une instantanément, elles s'empilent en gardant leur forme et emprisonnent de l'air entre elles : c'est le givre blanc et léger. Si la température est proche de 0 °C et les gouttes grosses, elles s'étalent avant de geler et donnent une glace transparente et lourde. Sur des fils électriques, son poids peut causer des dégâts.
Univ.Efficacité de capture et nombre de Stokes
Savoir si une goutte peut suivre le courant se mesure par le nombre de Stokes, en mécanique des fluides. C'est le rapport entre « le temps qu'il faut à la goutte pour changer de direction » et « le temps que met le courant à tourner devant l'obstacle ». Si ce nombre est bien supérieur à 1, la goutte va droit et heurte l'obstacle ; s'il est petit, elle suit le courant et l'évite.
L'épaisseur de l'obstacle est au dénominateur : plus l'obstacle est fin, plus le nombre de Stokes est grand. Pour une goutte de 0,02 millimètre de diamètre et un vent de 10 mètres par seconde, on l'estime bien supérieur à 1 pour une aiguille de 1 millimètre, et autour de 0,05 pour un tronc de 30 centimètres. En physique des nuages, ce taux de capture s'appelle efficacité de capture (efficacité de collision), et la même idée sert à prévoir le givrage des avions et des lignes électriques.
📖 Démonstration de la formule et approfondissements : Wikipédia (japonais) « Nombre de Stokes » ／ Wikipédia (japonais) « Surfusion »
RechercheCe que l'on ne sait pas encore bien
- Jusqu'où les monstres de neige vont-ils reculer ? À Zaō, on rapporte que la zone où on les voit s'est réduite par rapport à il y a quelques décennies, et que leur altitude a monté. Des observations étudient le lien avec le réchauffement.
- Le problème des arbres eux-mêmes. Ces dernières années, de nombreux sapins d'Aomori, qui servent de support, seraient morts à Zaō à cause d'insectes. Comment régénérer la forêt qui porte les monstres de neige est un enjeu.
- Comment la neige et le givre se combinent. Dans quelles proportions et comment la neige qui tombe et les gouttelettes en surfusion se superposent-elles pour donner la forme d'un « monstre » ? Les détails de cette mise en forme ne sont pas encore pleinement expliqués.
Ce que dit cet article est donc une « explication dans l'état actuel des connaissances ». Le mécanisme du gel des gouttes est solide, mais l'avenir de ce paysage de monstres de neige reste à surveiller.
Lien avec les manuels (par niveau)
| Niveau | Matière / chapitre | Dans cet article |
|---|---|---|
| Collège | Sciences « changements d'état », « météo (vents saisonniers) » | L'eau qui devient glace ; le vent de nord-ouest d'hiver |
| Lycée | Sciences de la Terre « structure de l'atmosphère, formation des nuages » | Gouttelettes de nuage en surfusion, noyaux glaçogènes |
| Lycée+ | Physique « chaleur (chaleur de solidification) » | Différence entre givre blanc et glace transparente |
| Univ. | Mécanique des fluides, physique des nuages | Nombre de Stokes, efficacité de capture, givrage |
| Recherche | Changement climatique et écosystèmes de montagne | Évolution de la répartition des monstres de neige, régénération de la forêt |
| ― | Lien avec la vie quotidienne | Paysages d'hiver, repère de direction du vent, givrage des fils électriques |
- Wikipédia (japonais) « Givre (霧氷) » (incluant les monstres de neige)
- Yoshimitsu Ogura (小倉義光), Ippan kishōgaku (一般気象学, « Météorologie générale »), Presses de l'Université de Tokyo
- H. R. Pruppacher, J. D. Klett, Microphysics of Clouds and Precipitation, Springer
- Agence météorologique du Japon (気象庁), « Vocabulaire des prévisions » (entrées givre et givrage)
- Wikipédia (japonais) « Nombre de Stokes (ストークス数) »
*Cet article est une vulgarisation scientifique pour le grand public. Les valeurs données sont des repères et des estimations pour comprendre le mécanisme. Si vous partez en montagne en hiver, suivez les informations météo locales et les consignes des installations.