Monde de la physique : comment tombent les flocons de neige

Lorsqu’il commence à neiger par temps glacial, c’est pour beaucoup le symbole de l’hiver. Avant que les flocons de neige ne tombent au sol – parfois plus vite, parfois plus lentement – ​​ils tracent souvent de larges trajectoires dans les airs. Les scientifiques ont maintenant étudié leur comportement grâce à une expérience spécialement développée. À leur grande surprise, tous les flocons accélèrent selon une règle étonnamment cohérente, rapportent les chercheurs dans la revue Physics of Fluids.

Pour examiner les flocons de neige, Dhiraj Kumar Singh et deux collègues de l’Université de l’Utah à Salt Lake City ont développé un instrument de mesure spécial – une version considérablement étendue d’un soi-disant distromètre. Ces appareils sont utilisés en météorologie pour déterminer la quantité et le type de précipitations. Les chercheurs ont désormais complété un tel appareil de mesure par une caméra pour le rayonnement infrarouge et la lumière visible ainsi qu’un laser vert. Le laser peut être utilisé pour éclairer les flocons de neige qui tombent, qui à leur tour reflètent les éclairs laser. L’équipe de recherche peut ensuite utiliser ces réflexions pour suivre le mouvement des flocons de neige individuels. L’appareil mesure également la direction du vent, la température et l’humidité.

Avec cet instrument de mesure, l’équipe de recherche s’est rendue dans une région montagneuse enneigée de l’État de l’Utah au cours de l’hiver 2020/2021. Pendant plusieurs semaines, ils ont analysé les flocons de neige tombés à travers une surface de mesure de la taille d’une demi-boîte à chaussures. Au total, ils ont collecté les trajectoires – plus ou moins turbulentes selon le vent – de plus d’un demi-million de flocons de neige différents.

Formule générale d’accélération des chutes de neige

À partir de ces données, les chercheurs ont principalement examiné la rapidité avec laquelle les flocons de neige tombaient vers la terre. Plus la densité des flocons individuels est élevée, plus la vitesse est élevée. Cette densité est plus faible pour les flocons pelucheux avec des espaces vides que pour les petits cristaux de neige compacts. Les flocons de neige se déplaçaient entre 0,2 et 11 kilomètres par heure lorsqu’ils ont atteint le sol. Et plus le vent soufflait fort, plus ils se déplaçaient dans les airs de manière turbulente et longue. Néanmoins, un point commun est apparu entre tous les types de flocons de neige et toutes les conditions météorologiques : lorsqu’ils tombaient au sol, les flocons accéléraient de façon exponentielle dans la composante verticale du mouvement de chute ; avec le même exposant de 1,5 – quelle que soit leur taille ou leur forme.

Les chercheurs n’ont pas encore d’explication à cette règle étonnante, apparemment fondamentale. Mais ils soupçonnent un lien entre les courants d’air turbulents juste au-dessus du sol et ceux des couches d’air plus élevées, où les flocons de neige se développent progressivement. De telles informations détaillées sur les chutes de neige pourraient également être importantes pour la météorologie. Étant donné que même la pluie dans les régions chaudes provient souvent de cristaux de glace fondus dans des couches d’air froides et plus élevées, ces analyses pourraient même conduire à de meilleures prévisions météorologiques ou à des avertissements de tempête plus fiables : « La vitesse des précipitations influence également le mouvement et la durée des tempêtes ainsi que la propagation de la couverture nuageuse », a déclaré Garrett, qui a participé à l’étude.