@Xxi Mais il peut arriver que des cristaux de glace soient tous alignés plus ou moins de la même manière dans un nuage par ex, créant ainsi un phénomène d'arc en ciel. Et localement, les cristaux de neige vont avoir tendance à être suffisamment ordonnés pour créer un effet d'arc-en-ciel. Mais sur une masse de neige, le désordre l'emporte largement.
@ljbo Merci pour la longue explication !
Si j'ai bien tout compris, il n'est donc pas possible d'observer ce genre de phénomène pour un cristal de neige pris séparément.
Car c'est toujours le mélange des couleurs préalablement séparées par un grand nombre de cristaux de neige du blanc.
Et donc, mon thread sur la réflexion totale risque de tomber à l'eau pour cette fois-ci (mais je pourrai quand même le poster plus tard en m'appuyant sur l'exemple de l'eau).
@Xxi Un crystal de neige pris séparément est transparent sous la plupart des angles, et sous certains angles, il renverrait une lumière décomposée. La réflection totale est la clé: si c'est la réfraction à l'entrée qui décompose la lumière, c'est la réflection totale qui la fait revenir jusqu'à nos yeux. Comme souvent, il y a plusieurs facteurs, et la difficulté est de les identifier!
@ljbo En fait, j'ai juste un problème de visualisation, je pense (c'est d'ailleurs pour ça que j'insiste autant sur les images dans mes threads).
Si je résume :
1) La lumière incidente est réfractée (et donc séparée) en entrant dans le cristal de glace qui se trouve en surface du manteau neigeux
2) Les différentes longueurs d'onde issues de cette séparation vont ensuite sortir de ce premier cristal de neige pour aller rencontrer ceux qui se trouvent au-dessous, et qui vont soit les réfléchir
@ljbo soit les transmettre/réfracter à leur tour. Ces différentes couleurs vont alors rebondir de cristal en cristal dans les couches inférieures du manteau neigeux, puis finir par remonter jusqu'aux cristaux présents en surface.
Et c'est là, à l'intérieur de ces cristaux de surface, qu'ils vont subir une réflexion totale.
Mais à partir de là, je n'arrive plus à visualiser ce qui se passe.
Si on voit du blanc, ça veut dire que les différentes longueurs d'onde ont fini par converger et se
@Xxi Non, la réflexion totale a lieu dans le cristal le plus profond atteint par le rayon. C'est pour ça qu'il repart vers la surface. Ce rayon peut très bien faire une réflexion totale sur un cristal à la surface mais alors il ne sortira pas de la couche de neige! Il repartira vers l'intérieur.
@ljbo Ok, je me disais bien que je n'étais pas au point.
Moi, je partais du principe que la réflexion totale interne nous donnait immédiatement du blanc, puisque c'est la clé. 😭
Faut dire que l'exemple de l'eau m'induisait pas mal en erreur aussi.
La réflexion totale nous fait voir du blanc... mais il est vrai que ça demande d'être à l'intérieur de l'eau ou de se placer selon un angle très précis.
@ljbo Par contre :
Comment se fait-il que la réflexion totale ne concerne que les cristaux les plus profonds ?
Ce n'est pourtant qu'une question d'angle par lequel la lumière traverse le cristal, non ?
@Xxi C'est une Lapalissade en fait: quand il y a réflexion totale, le rayon repart vers la surface. Et donc le cristal le plus profond qu'il a atteint est celui où il y a une réflection totale. Sinon le rayon aurait continué en direction de cristaux plus profond. On pourrait se dire qu'avec suffisamment de réfraction qui dévient le rayon, il puisse finir par remonter mais c'est très improbable.
@Xxi En particulier, un truc dont je n'ai pas du tout parlé, c'est l'absorption. Il y a les fameux noyaux de condensation en particulier, qui ne sont pas transparent. On a un nombre de cristaux traversés limités si on veut que le rayon ne soit pas absorbé. Et pour que la réfraction ait une chance de faire remonter le rayon à elle seule, il faut un nombre énorme de cristaux à traverser.
@Xxi Mais même sans ça, la direction sortante est quand même plutôt dans la direction entrante. Bref, sans réflexion totale, la lumière ne ressortirait pas de la couche de neige.
@ljbo Oui, au début je pensais vraiment que si la lumière transmise était ensuite réfléchie par les - facettes externes des - cristaux des couches inférieures, ça suffirait pour qu'elle remonte.
1) La lumière incidente est transmise un ou plusieurs fois
2) Au bout d'un moment, elle est réfléchie par une facette externe d'un cristal, ce qui lui permet de remonter
3) L'ascension continue puisque cette lumière qui remonte vers les cristaux supérieurs est à nouveau transmise, mais en sens inverse
@Xxi Une réflexion sur une face externe est possible évidemment. Mais peu probable. Pensez à une vitre: certes elle fait miroir mais l'image renvoyée est très peu lumineuse. On n'aurait jamais la brilliance de la neige juste avec les réflexions sur les faces externes. Notez qu'on peut même avoir plusieurs réflexions total dans un même cristal, ce qui peut faire un effet cataphote.
@Xxi J'avais déjà une idée floue de tout ça juste en me fondant sur ce que je connais de l'optique mais j'ai fait quelque recherche, et je suis tombé sur le papier ci-dessous. Il a confirmé ce que je pensais. Voir notamment les figures 2 et 3 (j'ai déjà partagé la 1ère si je me souviens bien). https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0034425720306453
@ljbo Oui, j'ai déjà vu la figure 2. La 3 est super aussi ; ça me donne vraiment envie de tout raconter mais je crois que le thread ferait 500 tweets et serait publié au mois d'août mdr.
Ceci dit, je crois que la partie la plus longue va concerner la molécule d'eau elle-même...
(Pour expliquer la géométrie hexagonale des cristaux de neige).
@Xxi Les liaisons hydrogène, c’est compliqué. Un truc que je connais bien en passant car c’est un sujet d’étude majeur en diffraction X sur les cristaux. Et c’est très important pour les protéines, les liaisons hydrogène entre molécules d’eau car elles forment des réseaux à l’intérieur et autour de la protéine, qui influencent ses propriétés chimiques.
@ljbo Autant dire que ça mériterait un thread à part entière.
Pour celui-ci, je vais me contenter de dire que la liaison hydrogène mobilise un doublet non-liant de l'oxygène, pour faire comprendre qu'entre les liaisons covalentes et les liaisons hydrogène, l'oxygène d'une molécule d'eau peut se lier à 4 hydrogènes au maximum.
Avant de conclure en disant que les angles formés par les différentes liaisons H sont à l'origine du réseau hexagonal entre les molécules d'eau.
@Xxi Oui, ça sera très bien. Sinon, ça va faire une énorme disgression.
@ljbo Surtout que des digressions, j'en fais déjà beaucoup, et même un peu trop sûrement.
Sinon, par curiosité, savez-vous quelle est la valeur de l'angle formé par deux liaisons hydrogène dans la structure cristalline de l'eau ?
Dans mon thread, je vais juste me contenter de dire que ces angles sont à l'origine du réseau hexagonal, mais je n'ai pas trouvé combien ils valaient précisément.
Je n'a certes pas trop cherché, mais bon.
@Xxi Angles tétraédriques. Géométrie différente de la molécule d'eau dans un gaz donc. Légèrement.
@Xxi Pour être clair, les angles des liaisons covalentes O-H et des liaisons hydrogène O-H sont tous tétraédriques. Alors qu'une molécule d'eau isolée a un angle de 104.5 degrés entre les O-H (et la longueur des liaisons est un chouilla plus courte mais je ne me souviens plus de combien).
@ljbo Ok !
Bon, de toute façon, je vais me contenter de dire que l'hexagone est dû aux angles formés par les liaisons hydrogène.
En essayant de m'appliquer davantage sur le tracé. 🥶
@ljbo Et là... je vais encore vous mobiliser. 🙄 J'ai l'impression de ne pas réussir à créer quelque chose de fluide.
Il faut toujours que je glisse la petite ramification (qui me paraît pourtant nécessaire !) qui menace de faire oublier au lecteur là où je voulais en venir. C'est vraiment pénible. On verra si je peux encore élaguer lors de la réécriture finale.
Me demande si je dois en + expliquer pourquoi les électrons d'une même paire ne s'éloignent pas...
@Xxi Effectivement, vous en dites trop ou pas assez. Pour commencer, des liaisons chimiques avec une géométrie tétraédrique, ça peut aussi donner le diamant, qui n'est pas un système crystallin hexagonal mais cubique. C'est la question: pourquoi le graphite et pourquoi le diamant? En plus, l'image est trompeuse: les atomes d'oxygène ne sont pas dans un même plan. Impossible avec des angles tétraédriques. Ce qui est hexagonal, c'est la maille unité du cristal.
@ljbo Il doit y avoir un truc tout con qui m'échappe.
On va reprendre à zéro.
Si j'ai bien compris, la maille, c'est l'unité de base hexagonale dont la répétition forme la structure cristalline.
Donc là, le but de mon exposé, c'était de dire qu'un cristal de neige présente une géométrie hexagonale parce que les mailles de sa structure cristalline sont elles-mêmes de forme hexagonale.
Je commence à douter que ce soit la bonne explication...
Mais du coup, qu'est-ce qui détermine cette forme
@ljbo hexagonale, si ce n'est pas les angles imposés par l'orientation des liaisons hydrogène ?
La longueur des liaisons hydrogène ? 😕
@Xxi Il y a un prix Nobel à la clé si vous trouvez une réponse à ça! C'est un peu une boutade mais sérieusement, déterminer la maille cristalline à partir de la géométrie de la molécule est un problème non-résolu. On a des bribes de réponse mais c'est très très compliqué. Au final, c'est l'arrangement qui minimise l'énergie des liaisons hydrogène mais si on met en latitude et en longitude les distances et angles intermoléculaires, et en altitude l'énergie, le paysage qu'on obtient est plein de creux et de vallées séparées par des collines basses. La simple question de quel est le creux le plus bas est déjà difficile. Quant à prévoir dans quel creux la structure va finir par s'arrêter, c'est encore plus dur.
@Xxi Latitude et longitude, c'est une image évidemment car l'ensemble des distances et angles intermoléculaires (ou de manière équivalente l'ensemble des positions des molécules) forme un espace de dimension largement supérieur à 2. Mais si on fixe tout sauf deux coordonnées par exemple, ce qu'on obtient est déjà très valloné, alors imaginer avec tous les paramètres!
Vous croyez que je m'en tire à bon compte si je dis que :
1) La géométrie sextuple des cristaux de neige vient de la forme hexagonale de la maille, qui est l'unité de base de la structure cristalline.
2) Cet arrangement hexagonal se veut le plus optimal du point de vue énergétique.
?
(Bien sûr, il aurait été plus satisfaisant de pouvoir décortiquer le rapport entre la géométrie de la maille et celle de la molécule d'eau, mais je ne risque pas de trouver, qui plus est en une semaine !
@ljbo Pour être honnête, j'ai vraiment visé trop haut le jour où j'ai choisi ce thread.
J'ai cru que j'allais pouvoir faire quelque chose de bien plus complet que ce qu'on trouve habituellement sur internet, mais c'était présomptueux.)
@Xxi Pour finir de vous écoeurer, les atomes d'oxygène forme bien un crystal mais les atomes d'hydrogène sont légèrement désordonnés: les liaisons hydrogenes O — H ••• O ne sont pas exactement linéaires. 😏 Et il existe alors d'autres formes cristalline de la glace qui elles sont ordonnées, et donc énergétiquement plus favorables, mais qui ne sont pas atteintes sauf conditions très particulières, qui en gros ne sont réalisable qu'en labo.
@Xxi Dis simplement, si on place une couche d'oxygène, et la suivante, les atomes d'hydrogène entre les deux ne peuvent pas satisfaire à la fois les angles tétraédriques et la symétrie hexagonale. D'où le désordre. Il y a même un petit calcul classique fait par Linus Pauling dans les années 30 qui prédit assez bien l'entropie que ce désordre ajoute. Bref, c'est compliqué!
@Xxi Calcul que l'on trouve sur la page Wikipedia en anglais sur la glace Ih (le petit nom de la glace ordinaire). Enfin, l'article ne dit pas exactement que c'est le calcul de Pauling mais ça y ressemble furieusement et il donne cette référence juste avant, donc… https://en.wikipedia.org/wiki/Ice_Ih#References
@ljbo En fait, il y aurait de quoi écrire 500 tweets pour ce thread.
Mais quand on parle d'organisation la plus favorable énergétiquement, ça renvoie à quoi ?
Parce que là, ayant tout misé sur les électrons pour expliquer la maille hexagonale, je repars maintenant de zéro. 🤣
@Xxi L’énergie la plus basse.
@ljbo Je récapitule pour voir si j'ai bien compris (je pense vraiment que non) :
Avec la congélation, les molécules d'eau se retrouvent immobiles et ne produisent donc plus d'énergie.
Dans ces conditions, la formation hexagonale va alors s'imposer d'elle-même, puisque c'est la plus économe énergétiquement.
Je dis peut-être une énorme connerie mdr.
@Xxi Il faut différencier deux types d'énergies. L'énergie cinétique des molécules: elle décroit quand la glace se forme comme vous venez de le dire. Leur énergie potentielle: c'est l'énergie due à leur interaction. En très gros, à très courte distance, c'est répulsif, càd que l'énergie augmente quand les molécules se rapprochent, et à plus longue distance, c'est attractif, càd que l'énergie augmente quand elles s'éloignent. Il y a donc un sweet spot entre les deux, et le problème c'est qu'avec un paquet de molécules, ce n'est pas facile de toutes les satisfaire en même temps. Il y a de la frustration (terme physique). Et pour finir, c'est la somme de l'énergie cinétique et de l'énergie potentielle qui doit être la plus basse possible. J'espère que je fais sens!
@ljbo C'est très clair, je pense.
Pour résumer, la géométrie hexagonale est "choisie" car elle est celle qui maintient des distances optimales entre les molécules d'eau.
C'est avec ces distances-là que l'énergie potentielle devient la plus basse.
Quant à l'énergie cinétique, elle est nulle sous le point de congélation.
(Si j'ai tout bien compris c'est parfait.)
@Xxi Pas tout à fait nulle quand même: les molécules n'arrêtent de gigoter qu'au zéro absolu. Elles vibrent un peu autour de la position d'énergie minimum. En translation et en rotation d'ailleurs. Ensuite, comme je l'ai déjà dit en passant, la glace ordinaire (dite Ih) n'est pas le minimum absolue d'énergie. On peut aller plus bas. mais les molécules gigotent trop pour l'atteindre dans des conditions normales ce point bas. Elles finissent frustrées!
@ljbo Résultat, j'ai mis beaucoup trop de temps à le faire et ça risque de tourner à l'accident industriel sauce Twitter parce qu'à mon avis, il n'intéressera pas grand-monde.
Et si c'est le cas, le nouvel algorithme estampillé Musk se chargera de me plomber quand même.
(L'optimisme de fin de semaine !)
@Xxi Haut les cœurs! Dit-il trop flemmard pour en faire le 10ième
@ljbo Haha.
J'ai moi-même connu une baisse de motivation ces dernières semaines, mais c'est en passe de se résoudre.
Je vais donc essayer de boucler ce thread au plus vite, car honnêtement je peux plus me le voir.
Et qui sait, un de ces quatre, je m'attaquerai peut-être à l'astronomie (suicide en vue).
@Xxi Empathie! Il y a des talks qui m’ont pris tellement de temps à préparer que je n’avais plus envie de les donner. Quant à l’astronomie, ce n’est pas ma spécialité mais la physique derrière, je connais bien, donc n’hésitez pas à me spoiler !
@ljbo Merci, j'essaierai de trouver un sujet qui puisse intéresser les gens. 😬
En attendant, j'ai relu quelques trucs sur le diagramme de Nakaya, qui décrit la relation entre la forme des cristaux de neige et les conditions météo.
Et je vois que certains vulgarisateurs n'hésitent pas à parler de taux d'humidité, alors qu'il y a bien écrit "supersaturation", ce qui mesure en fait l'excès d'humidité si je ne me trompe pas.
Ces approximations me rappellent que j'ai vraiment pas envie d'en faire
@ljbo dans mon thread.
Ne pas être du domaine m'oblige à vérifier 10 fois plus ce que je raconte.
Ce qui finalement est peut-être une force, mais bon !
@Xxi Oui, la supersaturation S, c'est la fraction au delà de 100% en effet. Mais donc, le taux d'humidité, c'est 1 + S alors, donc c'est juste un changement de point de référence, 1 au lieu de 0.
@ljbo On va essayer de faire gaffe à ce genre de détails.
Bordel, la rigueur c'est vraiment chiant et impopulaire.
@ljbo Sur la géométrie sextuple de la maille, j'ai l'impression de m'en sortir pas trop mal, même si j'ai tourné les choses de telle façon que le passage sur l'énergie cinétique a l'air de devenir inutile.
Je me sentais quand même sur un fil au moment de décrire les effets janus de l'énergie potentielle, mais je crois que ça passe (en évitant de parler de frustration des molécules pour ne pas avoir à l'expliquer trop longuement). 😭
L'art d'expliquer aux gens des choses qu'on découvre à peine.
@Xxi C'est très bien. Juste un détail, le 3ème paragraphe en partant de la fin a trop de parenthèses à mon goût. Cela rend la lecture plus hachée.
@Xxi Peut-être aussi pourriez-vous mentionner que prédire la structure cristalline en connaissant seulement la molécule est un problème très compliqué, qui demande des calculs de sauvage, et qu'on ne sait résoudre, partiellement, que depuis assez peu en fait. La science qui n'est jamais finie, tout ça, tout ça.
@ljbo Merci ! Je vais voir si je peux caser ça dans le tout premier paragraphe, avec si possible une référence humoristique au prix Nobel.
Sinon, mon brouillon est une horreur absolue, on est d'accord. Mais ça m'arrive constamment quand je n'ai pas les idées bien claires et manques d'assurance, craignant de faire une erreur à chaque virgule.
Maintenant que j'ai un peu plus de recul sur la justesse de mes propos, la réécriture devrait faire beaucoup de bien au texte, je l'espère.
@ljbo J'aurais par contre une dernière question, si on peut le dire comme ça.
Si on isole un cristal de neige, pourquoi ne peut-on pas voir les couleurs de l'arc-en-ciel se former derrière lui, alors qu'il est pourtant capable de décomposer la lumière qu'il transmet (à l'image d'un prisme) ? J'avoue que ça me fait sécher, ce truc. '-'
@Xxi On devrait effectivement. Mais il faut faire l'expérience dans une bonne obscurité car la quantité de lumière passant par un seul cristal est très faible. L'arc en ciel produit par une seule goutte d'eau est tout aussi difficile à observer.
@ljbo C'est vrai, je n'avais même pas pensé à ce détail.
Sinon, je prépare désormais le thread annexe que j'ai promis, et le tweet d'accroche m'a fait galérer à cause de la limite de 280 caractères.
Je voudrais attirer tous les lecteurs, y compris ceux qui n'auraient pas (encore) lu le thread principal.
Mais du coup, le tweet devient approximatif.
Bon, on va dire que rien n'est fondamentalement faux (juste incomplet).
Je mentionnerai les détails dans les tweets suivants.
@Xxi Ceux qui ne connaissent pas auront envie de lire la suite pour savoir ce que c’est que cette réflexion. Les autres iront voir si les autres points y sont. Donc bingo.
@ljbo J'ai avancé. Beaucoup trop peu à mon goût mais j'ai avancé.
Avec quelques rappels obligatoires pour intéresser ceux qui n'ont pas lu le thread principal...
@ljbo Ah ben oui c'est vrai, quelle différence y aurait-il avec le zéro absolu, sinon ? 🙄
Quoi qu'il en soit, si vous me confirmer j'ai vraiment compris le reste, c'est super.
Je peux déclarer mon thread virtuellement terminé (ne reste plus qu'à le mettre au propre et à chercher toutes les illustrations...)
Pour être honnête, je me demande aussi ce qui m'a pris le jour où j'ai opté pour un tel sujet. C'était un peu trop gros pour mon niveau actuel dans cette discipline.