Question d'origine :
Bonjour,
En allant à la montagne cette année, j'ai vu un lac gelé. Essentiellement sur les bords.
Pouvez-vous m'expliquer pourquoi un lac gèle d'abord sur les bord ?
Autre question concernant le froid : quelle est la température de la neige ? Pourquoi m'a t'on dit qu'à l'interieur d'un igloo la température était de 0°C ?
Merci de vos précieuses réponses,
MArie
Réponse du Guichet
gds_ctp
- Département : Equipe du Guichet du Savoir
Le 07/01/2015 à 14h17
Bonjour,
Le dossier « Découvrir l’eau » du CNRS nous aide à répondre à ces questions.
L’eau change d’état et se transforme en glace par « raidissement » des liaisons d’hydrogène entre les molécules :
« Si l’on refroidit l’eau liquide, l’agitation thermique des molécules d’eau diminue progressivement et les liaisons hydrogène, qui pouvaient aisément se tordre dans le liquide, se raidissent progressivement pour devenir pratiquement rectilignes (droites). Les molécules d’eau forment alors une structure rigide très organisée : l’eau s’est transformée en glace.
Dans la glace, aussi bien que dans l'eau liquide, toutes les molécules d'eau sont reliées entre elles par des liaisons hydrogène et sont en relation avec quatre molécules voisines. Mais, alors que dans l'eau liquide l'agitation thermique résiduelle permet aux liaisons hydrogène de se tordre, donnant aux molécules d’eau une certaine liberté de mouvement, au sein de la glace, l’agitation thermique des molécules d’eau est réduite au minimum : les molécules ne peuvent plus changer de position, elles ne peuvent que vibrer autour de cette position. Elles forment un ensemble structuré où chaque atome d’oxygène est au centre d’un tétraèdre dont les sommets sont occupés par les atomes d’oxygène des 4 molécules d’eau voisines. »
Sur Terre, à une pression atmosphérique normale, la glace fond à 0°Celsius et l’eau bout à 100°Celsius, mais les températures de changement d’état de l’eau changent avec la pression, comme en montagne où la pression atmosphérique est plus faible. Concernant précisément l’eau des lacs, lalimnologie , qui étudie les propriétés et les mouvements de l'eau des lacs et des étangs, est en partie consacrée aux températures lacustres, suivant la profondeur et les superficies des étendues d’eau (douce en l’occurrence). Il existe trois profils thermiques possibles pour les strates d’un lac : la stratification directe (superposition d’une eau plus chaude sur une eau plus froide), l’homothermie (température uniforme) et la stratification inverse (la masse d’eau la plus froide au-dessus de la plus chaude).
(Limnologie physique et dynamique)
Le phénomène de thermocline pour les mers et océans -par lequel presque tous les rayons du soleil frappant la surface sont absorbés par la couche d'eau superficielle qui se réchauffe, laquelle circule ensuite de manière à peu près uniforme sur les premières dizaines de mètres de profondeur, grâce au vent et aux vagues – est appelémétalimnion pour les lacs et étangs. La répartition de la chaleur se comporte différemment qu’en mer, avec deux fois par an, une inversion de couche entre niveau profond et niveau superficiel. Des micros-courants font couler la couche superficielle au printemps et au début de l'hiver, permettant la survie des poissons près du fond (eau plus fraîche et mieux oxygénée en été, et plus tempérée en hiver).
(Thermocline, Wikipédia)
« L’eau des lacs de montagne s’échelonne selon deux gradients de température différents selon la saison. Concrètement, l’été, l’eau à 4°C se trouve au-dessous de l’eau à 5°C, qui elle‑même se trouve au-dessous de l’eau à 6°C, etc. Mais l’hiver, l’eau à 4°C se trouve aussi au‑dessous de l’eau à 3°C, qui elle-même se trouve au-dessous de l’eau à 2°C, qui elle-même se trouve au-dessous de l’eau à 2°C, qui elle-même se trouve au-dessous de l’eau à 1°C, qui elle-même se trouve au-dessous de l’eau à 0°C ! ! Ceci est fondamental : l’eau à 4°C « tombe » au fond du lac et s’y maintient, été comme hiver, ce qui permet un certain réchauffement en profondeur pendant la période hivernale. En hiver, si le lac est profond de plusieurs dizaines de mètres, sa couche d’eau inférieure maintient sa température par géothermie et l’excédant de chaleur, s’il existe, est transférée aux couches d’eau supérieures dont la température est inférieure à 4°C. Sous la couche de glace, protégée du froid extérieur, chauffée par la Terre, la vie, plus ou moins active, est possible. Pour peu qu’ils soient à une altitude inférieure à 2600m et bien exposés, les lacs de montagne peuvent même accueillir des Vertébrés ectothermes (grec ektos, à l’extérieur et thermos, chaud), comme les poissons !
Comme l’eau connaît sa masse volumique maximale à 4°C, les eaux d’un lac de montagne s’échelonnent verticalement selon un gradient de température, été comme hiver. Ce n’est seulement qu’au printemps et à l’automne, que les eaux d’un lac se mélangent, lorsque la couche superficielle atteint 4°C. »
(Blog Les lacs de montagne)
Le blog Trousse des lacs (Fiche "stratification thermique") offre la meilleure vulgarisation de ce phénomène. Pour ce qui concerne la différence de solidification entre les bords et le centre du lac, elle pourrait s’expliquer par le peu de profondeur au plus près des berges, où seule la strate « Epilimnion » subit le refroidissement de la température de l’air.
Pour ce qui concerne les cristaux de neige, ils se forment directement à partir de la vapeur sans passer par l’état liquide, à partir de 0 degrés, mais peuvent se former à des températures beaucoup plus basses. Ils ont alors une structure moléculaire différente. Le manteau neigeux est constitué de différents types de neiges à différentes températures.
Pour ce qui concerne les igloos, les murs de neige compactée forment un bon isolant contre le froid extérieur et les températures de l’air peuvent y être positives, même si la paroi intérieure reste à 0 degrés.
Bonne journée.
Le dossier « Découvrir l’eau » du CNRS nous aide à répondre à ces questions.
L’eau change d’état et se transforme en glace par « raidissement » des liaisons d’hydrogène entre les molécules :
« Si l’on refroidit l’eau liquide, l’agitation thermique des molécules d’eau diminue progressivement et les liaisons hydrogène, qui pouvaient aisément se tordre dans le liquide, se raidissent progressivement pour devenir pratiquement rectilignes (droites). Les molécules d’eau forment alors une structure rigide très organisée : l’eau s’est transformée en glace.
Dans la glace, aussi bien que dans l'eau liquide, toutes les molécules d'eau sont reliées entre elles par des liaisons hydrogène et sont en relation avec quatre molécules voisines. Mais, alors que dans l'eau liquide l'agitation thermique résiduelle permet aux liaisons hydrogène de se tordre, donnant aux molécules d’eau une certaine liberté de mouvement, au sein de la glace, l’agitation thermique des molécules d’eau est réduite au minimum : les molécules ne peuvent plus changer de position, elles ne peuvent que vibrer autour de cette position. Elles forment un ensemble structuré où chaque atome d’oxygène est au centre d’un tétraèdre dont les sommets sont occupés par les atomes d’oxygène des 4 molécules d’eau voisines. »
Sur Terre, à une pression atmosphérique normale, la glace fond à 0°Celsius et l’eau bout à 100°Celsius, mais les températures de changement d’état de l’eau changent avec la pression, comme en montagne où la pression atmosphérique est plus faible. Concernant précisément l’eau des lacs, la
(Limnologie physique et dynamique)
Le phénomène de thermocline pour les mers et océans -par lequel presque tous les rayons du soleil frappant la surface sont absorbés par la couche d'eau superficielle qui se réchauffe, laquelle circule ensuite de manière à peu près uniforme sur les premières dizaines de mètres de profondeur, grâce au vent et aux vagues – est appelé
(Thermocline, Wikipédia)
« L’eau des lacs de montagne s’échelonne selon deux gradients de température différents selon la saison. Concrètement, l’été, l’eau à 4°C se trouve au-dessous de l’eau à 5°C, qui elle‑même se trouve au-dessous de l’eau à 6°C, etc. Mais l’hiver, l’eau à 4°C se trouve aussi au‑dessous de l’eau à 3°C, qui elle-même se trouve au-dessous de l’eau à 2°C, qui elle-même se trouve au-dessous de l’eau à 2°C, qui elle-même se trouve au-dessous de l’eau à 1°C, qui elle-même se trouve au-dessous de l’eau à 0°C ! ! Ceci est fondamental : l’eau à 4°C « tombe » au fond du lac et s’y maintient, été comme hiver, ce qui permet un certain réchauffement en profondeur pendant la période hivernale. En hiver, si le lac est profond de plusieurs dizaines de mètres, sa couche d’eau inférieure maintient sa température par géothermie et l’excédant de chaleur, s’il existe, est transférée aux couches d’eau supérieures dont la température est inférieure à 4°C. Sous la couche de glace, protégée du froid extérieur, chauffée par la Terre, la vie, plus ou moins active, est possible. Pour peu qu’ils soient à une altitude inférieure à 2600m et bien exposés, les lacs de montagne peuvent même accueillir des Vertébrés ectothermes (grec ektos, à l’extérieur et thermos, chaud), comme les poissons !
Comme l’eau connaît sa masse volumique maximale à 4°C, les eaux d’un lac de montagne s’échelonnent verticalement selon un gradient de température, été comme hiver. Ce n’est seulement qu’au printemps et à l’automne, que les eaux d’un lac se mélangent, lorsque la couche superficielle atteint 4°C. »
(Blog Les lacs de montagne)
Le blog Trousse des lacs (Fiche "stratification thermique") offre la meilleure vulgarisation de ce phénomène. Pour ce qui concerne la différence de solidification entre les bords et le centre du lac, elle pourrait s’expliquer par le peu de profondeur au plus près des berges, où seule la strate « Epilimnion » subit le refroidissement de la température de l’air.
Pour ce qui concerne les cristaux de neige, ils se forment directement à partir de la vapeur sans passer par l’état liquide, à partir de 0 degrés, mais peuvent se former à des températures beaucoup plus basses. Ils ont alors une structure moléculaire différente. Le manteau neigeux est constitué de différents types de neiges à différentes températures.
Pour ce qui concerne les igloos, les murs de neige compactée forment un bon isolant contre le froid extérieur et les températures de l’air peuvent y être positives, même si la paroi intérieure reste à 0 degrés.
Bonne journée.
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