Microphysique des phases glacée et mixte

Comment les cristaux de glace se forment et se développent, et comment la glace et l'eau liquide surfondue interagissent pour produire des précipitations dans les nuages froids.

Definition

La microphysique des phases glacée et mixte est l'étude de la nucléation, de la croissance et de l'interaction des particules de glace, ainsi que de leur coexistence avec l'eau liquide surfondue, dans les nuages dont la température est inférieure au point de congélation.

Scope

Couvre les modes de nucléation de la glace, la croissance des cristaux de glace par dépôt de vapeur et la variété des habitus cristallins, le processus de Wegener-Bergeron-Findeisen par lequel la glace croît aux dépens des gouttelettes surfondues, le givrage et la formation de grésil mou et de grêle, l'agrégation en flocons de neige, et la production secondaire de glace.

Core questions

• Comment la glace se nucléée-t-elle dans les nuages, et pourquoi l'eau surfondue persiste-t-elle ?
• Pourquoi les cristaux de glace se développent-ils rapidement en présence de gouttelettes surfondues ?
• Comment le givrage et l'agrégation forment-ils le grésil mou, la grêle et les flocons de neige ?

Key theories

Wegener-Bergeron-Findeisen process

Étant donné que la pression de vapeur saturante au-dessus de la glace est inférieure à celle au-dessus de l'eau surfondue, les cristaux de glace se développent par dépôt de vapeur tandis que les gouttelettes voisines s'évaporent, produisant efficacement de la glace de taille propice aux précipitations.

Mechanisms

L'eau des nuages peut rester liquide bien en dessous de zéro degré Celsius car la nucléation de la glace nécessite soit des noyaux de glace, soit, à très basses températures, une congélation homogène. Une fois que la glace se forme, la pression de vapeur saturante plus faible au-dessus de la glace qu'au-dessus de l'eau surfondue entraîne un transfert net de vapeur des gouttelettes vers les cristaux, c'est le processus de Wegener-Bergeron-Findeisen. Les cristaux adoptent des habitus déterminés par la température et la sursaturation, continuent de croître en entrant en collision avec des gouttelettes surfondues et en les gelant (givrage) pour former du grésil mou et de la grêle, et s'agrègent en flocons de neige qui tombent et peuvent fondre en pluie.

Clinical relevance

Les processus liés à la glace dominent les précipitations des latitudes moyennes et influencent fortement la durée de vie des nuages et leurs propriétés radiatives, faisant de la microphysique des phases mixtes une incertitude majeure dans les modèles météorologiques et climatiques.

History

Wegener a noté l'instabilité de la coexistence de la glace et de l'eau, et Bergeron et Findeisen l'ont développée dans les années 1930 pour en faire la théorie de la précipitation par les cristaux de glace, longtemps l'explication prédominante de la pluie aux latitudes moyennes.

Key figures

• Tor Bergeron
• Walter Findeisen
• Alfred Wegener

Seminal works

• pruppacher1997
• lamb2011

Frequently asked questions

Qu'est-ce que l'eau surfondue ?

L'eau surfondue est de l'eau liquide qui reste non gelée en dessous de 0 degré Celsius parce qu'elle manque de noyaux de glace efficaces ; elle est courante dans les nuages et essentielle aux précipitations en phase mixte.