Glace

Laglaceest l'eau(de formule chimique H2O) lorsqu'elle est à l'état solide. Cet élément est très étudié dans la nature et en laboratoire, par les scientifiques, à commencer par lesglaciologues, lesphysiciensde lamatière condenséeet autres cryologues de spécialités différentes : il contient souvent beaucoup d'impuretés ou d'inclusions, d'origine diverse. Lesmétéorologuessuivent la formation desfloconsà partir devapeur d'eauentrant en atmosphère froide plus ou moins poussiéreuse,géologuesetminéralogistes, rejoints par lesspéléologues, ne le retrouvent pas seulement dans les endroits communément englacés, mais sous des formes insolites dans les déserts secs et arides, des lieux plus secs et abrités des montagnes comme au fond des grottes profondes et cavités glacées, où la glace subsiste longtemps.
Leminéral glaceabondant dans l'univers,minéral le plus abondant à la surface de la Terre, surtout à haute altitude et à proximité des pôles, est décrit par plus d'une dizaine devariétés polymorphiquesadaptées aux différentes gammes de pressions interstellaires et déterminées par diffraction X et spectroscopies, mais il n'existe en pratique qu'une seule forme naturelle terrestre, la glace cristalline ordinaire de symétrie hexagonale, notée en anglais scientifique Ih. D'un point de vuecristallochimique, un atome d'oxygène est au centre d'untétraèdrerégulier formé par quatre autres atomes d'oxygène, placés à une distance de 0,276 7nm, l'angle moléculaire HOH est fixé à 109° 47′ et la cohésion restante est assurée par desliaisons hydrogène. L'ensemble des zones de la surface terrestre où l'eau se trouve sous forme gelée est théoriquement lacryosphère.
À lapression atmosphériquenormale (101 325Pa), l'état de l'eau pureest en principe la glace lorsque satempératureest inférieure à satempérature de fusionqui est, par convention,0°C(soit273,15K). Cependant, en l'absence de germes oucristaux de glace, de l'eau calme peut être facilement refroidie à des températures inférieures à0°Csans se congeler, dans un état d'équilibre instable appelésurfusion, et atteindre ainsi des températures allant jusqu'à−48°C. La température de fusion de la glace a servi de point fixe pour la définition originelle de l'échelle Celsius de températures, à l'origine dudegré Celsiusnoté °C.
Les chimistes trouvent l'eau à la fois exceptionnelle et naturellement anormale, car la densité de la glace est inférieure à la densité du liquide eau. En conséquence, les glaçons flottent sur l'eau, comme les icebergs voyagent sur la mer ou les revêtements glacés apparus lors du gel profond des plans d'eau ou des rivières sont charriés en surface lors de ladébâcleet peuvent former des amas monstrueux lors de l'embâcle. Le minéral glace hexagonale désigne aussi bien laneigeet sesflocons, legivreque les amas de neige ounévés.
Laroche glaceest un assemblage de cristaux de minéral glace, aux formes non régulières ni géométriques, dont lesmécaniciens du solideconnaissent bien les lois mécaniques de déformation. La glace polycristalline, quels que soient ses impuretés ou inclusions, est pratiquement imperméable à l'eau liquide. Sa texture et ses caractéristiques sont extrêmement variées, selon ses origines ou sa formation, les métamorphoses et déformations qu'elle a subies, ou les milieux de conservation ou de préservation. Un exemple de glace polycristalline est le produit de la congélation d'eau en masse au sein d'un nuage, dénommégrêleougrêlons'il parvient à chuter au sol sans fusion notable. La glace roche peut provenir en conséquence de la congélation d'eau en masse, c'est le cas de la glace de rivière, de lacs, de mer ou de la glace artificielle, elle est représentée aussi par les produits de congélation de l'eau sous diverses formes (vapeur d'eau dans l'air, eau fondue et refondue, eau insérée dans les sols ou les nappes), c'est le cas des champs de glace à l'aval des sources se reformant incessamment en cas d'apport d'eau et de température idoines, de la glace plaquée sur le sol par des courants d'air humide successifs, de la glace amoncelée dans les zones de glacières naturelles du fait du proche flux d'air frigorifiant sortant du sol, de la glace issue de la congélation de l'eau suintant des roches ou de revêtements fixateurs à l'origine desverglas, de tarines, de stalactites ou d'excroissances glacées diverses, mais aussi de la glace des sols gelés de manière éphémère ou permanente, comme lepermafrost. La roche glace est encore représentée par la transformation des névés ou de vastes accumulations de neige englaciers, eux-mêmes fracturés et dispersés dans la mer ou les lacs, enicebergs. Il existe encore la glace de lacalotte polaire, formée, reformée et déformée très lentement à température basse, un type de roche glace encore mystérieux, car en pratique impossible à reproduire expérimentalement au laboratoire. La fusion de la roche glace permet l'apparition en général de vastes quantités liquides d'eaux douces. C'est l'objet d'étude de l'hydrologie glaciaire.
La glace représenterait, avec les silicates de magnésium et de fer, tels que l'olivine, le minéral le plus répandu dans le système solaire. Il occupe surtout les planètes géantes excentrées et leurs satellites. La zone proche du soleil naissant a sans doute été asséchée de manière précoce et l'eau n'a pu y revenir que portée par lescomètesvenues de la périphérie du système solaire. Ce serait le cas sur la Terre en position moyennement chaude. Lorsqu'une comète s'approche du soleil, une fraction croissante de sa glace devient cubique.
La glace présente plus de onze variétéspolymorphiquesdont la plupart des domaines d'existence sont représentés dans lediagramme de phaseci-dessous. Elle existe aussi sous formeamorphe.
À lapression atmosphériquenormale (et jusqu'à une pression d'environ0,2GPaou2 000bars), les molécules d'eau de la glace ordinaire forment unestructure cristallinesuivant un réseauhexagonal(a= 4,52Å,c= 7,37Å), dont la stabilité est assurée par desliaisons hydrogène; cette variété polymorphique est appelée « glace1h» ou «glace Ih» (hpour hexagonal).
Cette structure présente une faible compacité, et la masse volumique de la glace ordinaire est inférieure à celle de l'eau (917kg/mpour de la glace pure à0°C, pression atmosphérique normale).
Ceci explique que la température du point de fusion de la glace ordinaire s'abaisse avec l'augmentation de la pression (il s'agit d'une anomalie : les températures de fusion croissent normalement avec la pression) jusqu'à un minimum de−22°C(cf. diagramme de phase de la glace) pour une pression d'environ0,2GPa(ici commence le domaine de la glace III).
En fonction des conditions de température et de pression, la glace peut adopter d'autres structures cristallines, généralement plus compactes que la glace ordinaire ; certaines de ces variétés de glace peuvent se rencontrer dans les conditions extrêmes régnant à la surface d'autresplanètesou desatellitesde grosses planètes, telsEurope,Ganymèdeou encoreCallistodans lesystème solaire:
D'un point de vue strict, il faudrait réserver au domaine de la minéralogie la description de la glace naturelle et ses multiples formes et occurrences naturelles. Ainsi la glace ménagère, les glaces de synthèse ou les banales glaces artificielles, la glace projetée sur les pistes de ski et celle équipant lespatinoiresou anneaux de glace, ne sont pas un minéral (naturel). Il n'empêche que pour un physicien ou un physico-chimiste, elles peuvent être décrites de manière similaire.
La neige, précipitations ou météores communes sous forme defloconsou cristaux hexagonaux plats de glace de taille largement inférieure à 7mm, contient en pratique 85 % à 95 % d'air.
La glace granuleuse peut encore comprendre 85 % à 30 % d'air. Le firn ou la glace de névé ne contient plus que 30 % d'air à 20 % d'air, alors qu'en deçà de cette teneur, la glace bleue polycristalline n'en contient plus qu'à l'état quasi-expurgé de bulles d'air. Dans un glacier, les agrégats polycristallins peuvent englober des monocristaux individualisés exceptionnels de plus de 45m. Les gros cristaux de gelée blanche ne peuvent atteindre que 10mde long, en particulier dans les crevasses de glaciers, les grottes et anciennes mines sèches et froides.
La masse volumique de la glace est de917kg/mà0°C, et son coefficient de dilatation linéaire est d'environ 9 × 10/K, toujours à0°C.
Une des particularités de la glace est de présenter une masse volumique plus faible que celle de l'eau liquide qui est d'environ1 000kg/mà0°Cet sous la pression atmosphérique. La glace flotte donc à la surface de l'eau liquide, phénomène inhabituel car pour la plupart des matériaux, c'est le phénomène inverse qui se produit.
L'augmentation de volume consécutive à la congélation de l'eau favorise lacryoclastie, c'est-à-dire le fractionnement des roches (préalablement fissurées) par les alternances de gel et de dégel. Elle joue un rôle dans lacryoturbation, c'est-à-dire les déplacements des particules du sol et des sols, sous l'effet de ces mêmes alternances.
Le coefficient de dilatation linéaire de la glace est environ 9 × 10/Kà0°C.
Lacompressibilitéde la glace est de l'ordre de12 e−12/Pa.
La limite d'élasticité de la glace varie énormément suivant la qualité de la glace utilisée :10kPapour la glace de glacier,60kPapour de la glace artificielle.
Les valeurs admises pour lemodule de Youngde la glace se situent environ à9,33GPa.
Sa limite de plasticité est de3,5MPa(en compression). Le rapportlimite de plasticité / limite d'élasticitéde la glace, de 60 à 350, se range parmi les plus grands de tous les solides connus (environ 2 pour l'acier, et jusqu'à 10 pour le fer doux).
Uneformule empiriquepermet de déterminer la pression supportable par une couche de glace ; si l'on considèreHl'épaisseur de glace en centimètres, alors4·Hdonnera le nombre de kg/mque la couche pourra supporter sans se briser.
Les propriétés mécaniques expliquent autant les bonnes capacités de vibration et d'acoustique de certaines glaces suffisamment cohérentes que la facile capacité de sculpture à partir de blocs de glace. Il est par exemple possible de réaliser de multiples instruments de musique, aussi insolites que de formes conventionnelles.
La dureté varie fortement avec la température subie. La glace en haute montagne ou enAntarctique, placée à−44°Cacquiert une dureté de 4, équivalente à celle de lafluorite.
La glace portée à−196°C(77K: la température de l'azote liquidebouillant)a la dureté dufeldspath, soit 6 sur l'échelle de Mohs.
À noter que des autres morphologies de « glaces extraterrestres » peuvent être encore plus dures.
À0°C, lachaleur latente de fusionde la glace est de 333kJ kget sacapacité thermique massiqueest de 2,06kJ kgK; celle-ci n'est que la moitié de la capacité thermique massique de l'eau à0°C(4,217kJ kgK), et varie de façon quasi linéaire en fonction de la température (+0,17 %/K).
Laconductivité thermiquede la glace est de 2,1W mKà0°C, et augmente avec l'abaissement de la température (pente de l'ordre de -0,57 %/K) ; elle est donc toujours bien supérieure à la conductivité thermique de l'eau à0°C, égale à 0,55W mK.
L'iglooarrondi typique autrefois desInuitsdu Grand Nord est fabriqué à partir d'éléments de formes préfabriqués en neige compacte à grains fins taillée en bloc. Il est remarquablement isolant car bien à l'abri sous la structure accessible par un couloir surcreusé la température positive atteint facilement quelques degrés si bien qu' un être humain se découvre parce qu'il fait chaud.
Les effets lumineux du matériau polycristallin qu'est la roche glace paraissent innombrables suivant ces facettes transparentes et les jeux de lumière qui les traversent. Ils sont utilisés par lessculpteurs de glaceet les éclairagistes experts des installations ou autres hôtels ou villes de glace éphémères.
La couleur blanche de la glace commune est due aux inclusions gazeuses d'air. D'une manière générale, la glace compacte réfléchit le bleu et absorbe les autres couleurs du spectre visible.
La glace roche a fait l'objet d'études pétrologiques prolifiques, il en résulte parfois une distinction entre la glace dite :
Il est apparu évident que lescarottes de glace, qui peuvent être vieilles de plus de 300 000 ans, recelaient par leurs impuretés des informations sur lespaléoclimats. Des modèles permettent à partir des bulles d'air piégées de redécouvrir l'évolution de l'état de l'atmosphère, et surtout percevoir les fines particules ou poussières deséjectas volcaniquesayant perturbé durablement l'atmosphère à un niveau planétaire. Il est alors possible de proposer des températures modèles, d'analyser et de tenter de séparer les retombées volcaniques, terrestres, marines, cosmiques, voire humaines à partir des polluants atmosphériques fossiles ou chimiques récents.
En 2005, l'équipecoréennede Heon Kang, de l'université deSéoul, a pu obtenir une glace d'eau à température ambiante (20°C). Pour ce faire, unchamp électriqueest appliqué entre la pointe d'unmicroscope à effet tunnelet une surface d'or, où est disposé un film d'eau liquide, d'une épaisseur de l'ordre dunanomètre.
Dans cette expérience, l'eau se transforme en glace car lesdipôles électrostatiquesdes molécules d'eau s'alignent sur le champ électrique. L'intensité du champ électrique à laquelle ce changement apparait (10V m) est mille fois moins importante que ce que les modèles prédisaient.
Malgré la très faible épaisseur de la couche d'eau utilisée, ce phénomène pourrait, d'après les auteurs, intervenir au sein de nuages d'oragesou de microfissures de roches, ainsi que dans des équipementsnanotechnologiques.
En hiver, les routes sont salées afin de faire fondre la glace. Plus rigoureusement, ce n'est pas la glace qui fond, mais un mélange binaire glace-sel.
Lorsque le sel NaCl (Na, Cl) entre en contact avec la glace, les ions se dissocient et se réarrangent autour des molécules d'eau, car celles-ci sont polaires (H2, O, ce qui permet de former un composé (H2O) (NaCl).
Ce réarrangement nécessite seulement de petits mouvements des atomes, et se fait donc en phase solide.
Lors dusalage, le sel (solide) est en excès. Il va donc se réarranger avec l'eau afin de créer une solution eutectique (~23 % en masse). La température de fusion d'un tel mélange est d'environ−21,6°C. Le sel va donc permettre de faire fondre toute glace en contact si celle-ci n'a pas une température inférieure à−21,6°C. EnRussie, par exemple, par grand froid, l'ajout de sel sur les routes est complètement inefficace. Il faut donc trouver un autre moyen pour permettre de rendre les voies praticables.
Lorsque tout le sel solide s'est dilué dans la glace fondue, la phase liquide obtenue va continuer de faire fondre la glace en contact. La concentration en sel (limité à 23%m) va diminuer progressivement, jusqu'à atteindre un équilibre dicté par la température. Il est possible, à partir du diagramme de phase eau-sel, de déterminer cette concentration finale.
Lediagramme de phasesuivant représente la température de fusion du mélange en fonction de la proportion eau-sel.
Le mot féminin enlatin classiqueétaitglacĭēs, ēī, signifiant « glace, glaçon » (mais aussi « dureté, rigidité typique de l'airain») est bien corrélé au verbeglăciāresignifiant « changer en glace, geler, voire glacer d'effroi ou de peur », mais aussi « durcir, solidifier » ou encore en forme intransitive, « durcir, se congeler, se glacer, se caséifier… ». Mais c'est surtout le mot de latin populaireglaciaqui a abouti à l'italienghiaccioet au françaisglace. Les langues germaniques ont préservé une autre racine indo-européenneisa, commune au monde celte, ainsi lenordiqueîs, le suédoisis, l'allemandEis, l'anglaisice… alors que les langues slaves pérennisaientled,lo...
Le temps d'irruption probable de la glace, de la neige ou du gel puis de son maintien éventuel est aussi un temps d'hibernationautant pour les hommes que nombre d'animaux, à l'origine de la dénomination de la saisonhiver. Mais la glace suffisamment lisse ou la neige porteuse est un support idéal pour la glisse ou le déplacement de charge entraîneauou decharadapté par lecharronen engin glissant. Paradoxalement, les cultures paysannes maîtrisant la traîne demeurent alors actives dans les forêts ou les hauteurs montagnardes, assurant le transport de multiples matériaux ou nourritures humaines ou animales. L'hibernation reste surtout une métaphore agricole avec des réserves engrangées en automne, ainsi qu'une assurance protectrice des plus faibles ou des moins équipés face aux intempéries dans la demeure, bien protégée ou isolée sous sa couche maîtrisée de neige ou de glace. Un des matériaux collectés était parfois la glace ou la neige.
Les plus vieilles bâtisses ou constructions dénomméesglacièreayant servi à conserver la glace datent d'il y a quatre mille ans et se trouvent enMésopotamie. Ce sont des constructions en terre de forme conique inversée.
On retrouve des puits à neige ou puits à glace destinés aucommerce de la glaceet servant à la conservation de cette denrée partout à travers le monde :Chinedepuis leVIIIsiècleav. J.-C.,Corée,Méditerranéesans doute avant l'époque romaine,Espagne,Algérie,France,etc., et qui sont apparus dès leXVIsiècle en ce qui concerne l'Europe occidentale. Ces grands bâtiments, parfois sous gestion collective, pouvaient conserver de la glace toute l'année ou au moins jusqu'à la fin d'un été nullement caniculaire afin de fournir les villes et villages les plus proches. En effet, dès la Renaissance, grâce à une période prospère tant sur le plan économique que politique, des échanges interculturels entre France,Italieet Espagne ont permis la redécouverte de ce produit. La glace servait à confectionner des crèmes glacées, rafraîchir boissons et aliments, et surtout à conserver les denrées ou aliments par congélation, tout en étant même prescrite par les médecins pour calmer douleurs, fièvres, anesthésier, etc.
En Angleterre ou en Amérique du Nord, les abris réfrigérants ou glacières, caractérisée par une fosse profonde et une rampe de chargement d'accès facile sont communes dès leXVIIsiècle. Pour renforcer l'isolation de la structure, outre la toiture très souvent en chaume, les gestionnaires des glacières utilisent abondamment lapailleisolante, en sous-toit ou sous-enveloppe comme en séparateur de blocs. Pour un abri de capacité de bonne capacité, il n'est pas rare qu'il fallait collecter une centaine de tonnes de glace. La glace épaisse des mares aménagés ou des lacs gelés était souvent préférée par commodité de récolte.
Les « glacières » ont été exploitées jusqu'à la fin duXIXsiècle, c'est-à-dire jusqu'à l'apparition des usines de fabrication de glace permettant de produire la glace industriellement, au jour le jour, sans l'aléa des saisons.
Il existe deshôtels de glaceen Suède àJukkasjärvi, àQuébec, en Alaska, en Groënland ou au Canada, voire des villes de glace éphémères en Chine.Elles engloutissent parfois communément jusqu'à 20000 tonnes de neige et 3000 tonnes de glace.
Quelques laboratoires étudient spécifiquement la glace :
Lorsqu'on patine sur glace mince, la sécurité est associée à la vitesse. Traduction de la phraseIn skating over thin ice, our safety is our speed, citée par le philosophe américainRalph Waldo Emersondans la première partie de sesEssaysintituléePrudenceet éditée en 1841.