Les flocons, par leur diversité de formes et leur géométrie unique, ont toujours fasciné. Loin d’être les fruits de la « Magie de Noël », la physique et les mathématiques aident à comprendre les bases de leur formation.

Un flocon ne peut se former qu’à l’intérieur de nuages, à des températures négatives et avec de la vapeur d’eau. Cette dernière se cristallise progressivement autour de minuscules poussières en suspension. Au niveau atomique, les molécules d’eau se réorganisent en un réseau symétrique. Petit à petit, on passe d’un état gazeux désordonné à un état solide ordonné. La géométrie obtenue, un hexagone plat à six branches identiques, est le reflet de l’organisation spatiale des molécules d’eau. Lorsque le flocon est suffisamment dense, il finit par tomber jusqu’à nous. 

Comme cette cristallisation est influencée par une combinaison de paramètres physico-chimiques, chaque flocon se développe avec une forme unique. Le physicien japonais Ukichiro Nakaya, qui a travaillé toute sa vie sur ces flocons, considérait que leurs formes renseignent sur les conditions météorologiques. Pour lui, chaque flocon nous arrive avec son histoire, telle une lettre envoyée du ciel. Son Diagramme de Nakaya présente les liens entre des paramètres physiques et la diversité de géométries associées.

Cependant, la complexité des processus thermodynamiques mis en jeu limite la compréhension de leur structure. Les mathématiques prennent alors le relai pour créer des flocons dits « virtuels ». C’est le cas du Flocon de Koch, figure découverte par le mathématicien suédois du même nom Helge Von Koch. Les lois mathématiques à l’origine de cette structure illustrent donc une autre voie de compréhension des mystères des flocons de neige.  

Gaétan Merminod

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Sources : 

Franceinfo. (2021, 9 avril). Sciences : le mathématicien Étienne Ghys raconte le mystère de la formation des flocons de neige. Franceinfo. https://www.francetvinfo.fr/meteo/sciences-le-mathematicien-etienne-ghys-raconte-le-mystere-de-la-formation-des-flocons-de-neige_4365749.html

How do snowflakes form ? Get the science behind snow. (2016, 19 décembre). National Oceanic And Atmospheric Administration. https://www.noaa.gov/stories/how-do-snowflakes-form-science-behind-snow

Contributeurs aux projets Wikimedia. (2024, 6 février). Flocon de Koch. https://fr.wikipedia.org/wiki/Flocon_de_Koch

Contributeurs aux projets Wikimedia. (2022, 11 décembre). Ukichiro nakaya. https://fr.wikipedia.org/wiki/Ukichiro_Nakaya

Figure 1.1-Diagramme de morphologie des cristaux de glace, avec les. . . (s. d.). ResearchGate. https://www.researchgate.net/figure/Diagramme-de-morphologie-des-cristaux-de-glace-avec-les-differents-types-de-cristaux_fig1_327468353