Le secret des Cristaux de neige - Collège de La Barousse

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Introduction

Les 11 élèves ont profité de chutes de neige récentes pour découvrir la diversité morphologique des flocons de neige et la constitution du manteau neigeux. Cette étude « Nivologique » les a ensuite amené à synthétiser des flocons de neige grâce à de la Carboglace.

Le Journal de Bord





Lundi 14 janvier 2008

Premier contact avec la neige

Nous sommes arrivés la veille sur le site de Prabouré, où la neige était au rendez-vous... ouf ! Comme premier contact avec la neige, nous avons utilisé quelques outils empruntés à la nivologie.

Nous avons pu nous familiariser avec les différentes couches de neige, observer la forme des flocons, mesurer la température des strates.

Nous avons ensuite construit un modèle réduit d’igloo, dans le but d’observer (peut-être) une différence de température et de comprendre sa construction dans les grandes lignes. Expérience mitigée... La température de l’air étant proche de 0°C...


Igloo de forme traditionnelle

Igloo aggloméré

L’après-midi a été consacrée à la forme des cristaux [1], aux constructions hexagonales et à leur formation.
Les éléments qui permettent de comprendre leur formation :

- les cristaux sont formés à partir de vapeur d’eau, dans un milieu froid (<0°C)
- un cristal est formé à partir de molécules d’eau nommée H20
- un cristal est constitué de 6 côtés et peut posséder 6 branches
- les cristaux prennent forme dans les nuages
- une fois tombés, leur forme évolue et les cristaux se transforment peu à peu en boules (par le principe de sublimation-recondensation)
- la transformation de la neige par les facteurs météorologiques influencent aussi le manteau neigeux.

Après une présentation des familles de cristaux (plaquettes, étoiles, colonnes), nous avons observé certains d’entre eux qui avaient été piégés et figés dans de la super-glu.

Mardi 15

La journée du mardi à permis de mettre en œuvre plus précisément les techniques découvertes lundi. Répartis en 3 groupes nous sommes allés :
- à la chasse aux cristaux de givre
- photographier les cristaux de neige
- analyser le manteau neigeux [2]

Flocon dendritique à la loupe binoculaire

Observation microscopique


Coeur hexagonal

Observation microscopique


Coupe et mesures

Nous avons pu observer 3 couches distinctes :
- la première couche (en surface) mesure 1 cm, est constituée de neige croutée et dure et est à une température de 1°C
- la deuxième couche, d’une épaisseur de 4 cm est constituée de neige roulée et très molle (T° : 0,9°C)
- enfin la troisième couche, d’une épaisseur de 1 cm est formée de grains ronds et est un peu dure (T° : 0,5°C)

Après prélèvement des 3 couches dans des récipients à volumes identiques, nous avons pu mesurer la quantité d’eau résiduelle après fonte. Les différentes couches nous ont donné : 1 - 140mL, 2 - 59 mL, 3 - 98mL
ces 3 résultats concordent avec nos prévisions, les neiges compactes et dures contiennent plus d’eau.

Mercredi 16

Visite à Lemptegy, découverte des Volcans d’Auvergne et de leur histoire par une guide spécialiste.

Jeudi 17

La carboglace, matériaux de base commandé.... n’est pas là.... la tension monte, allons-nous réussir notre expérience..?

Cette journée est sous le signe du projet... et notre projet est celui non moins ambitieux que de fabriquer des cristaux de neige [3]. On se creuse la tête, on repense à ce qu’on sait sur la création des cristaux de neige de manière naturelle. Du froid, de l’humidité...
Pour nous aider, un groupe de « chercheuses » réalisant un TIPE pour leur BCPST ( Classes Préparatoires Biologie, Chimie, Physique et Sciences de la Terre ) nous ont transmis leur protocole.
Il nous fallait trouver des isolants appropriés, ingrédients présents en partie chez les Architectes (laine de bois, mélange textile) et en partie chez les Paradisaea (Polystyrène extrudé : Dépron).

4 systèmes ont donc été développés puis réalisés :

Isolation Dépron + Aluminium

Afin d’ajuster au mieux les différentes parois, afin de garantir une isolation optimale, toutes les découpes ont été prévues et préparées.

Réalisation du compartiment Carboglace


Inscrire un carré dans un cercle...






















Le Schéma général que l’on gardera est le suivant :

Montage définitif

Afin de se préparer au mieux, nous avons remplacé la carboglace (CO2 sous forme solide) par de la glace salée (mélange à -18°C ). Cependant, ce mélange ne nous a pas permis d’obtenir de belles dendrites, ils nous a néanmoins permis d’avoir nos premiers cristaux de glace.

Parmi les paramètres variables selon les expériences, nous avons pu essayer des bouteilles différentes (volume, forme, couleur), des fils différents (coton, fil de pêche), des isolants et techniques d’isolation différentes.

La carboglace est enfin arrivée en milieu d’après-midi, nous avons donc pu réaliser l’expérience prévue.

L’expérience ayant fonctionné dans tous les montages, nous avons obtenu des cristaux en forme de feuilles de fougères.


Croissance des cristaux dendritiques

Résultats : L’expérience a bien fonctionné car nous avons pu fabriquer des cristaux de neige en forme de fougère.

- Nous avons observé que lorsque les boites sont moins compactes, les cristaux de neige se forment plus vite mais fondent aussi plus rapidement.
- Mais nous avons vu aussi par la suite que selon le type de fils, la neige se forme de différentes manières ( c’est sur les fils de pêche que les cristaux de neige sont les plus beaux - en forme de fougère )
- Les cristaux les plus visibles sont ceux où l’on ne voit pas de buée sur les parois de la bouteille
- La carboglace peut disparaître très rapidement si les matériaux utilisés ne sont pas assez isolants (état solide -> état gazeux).

Vendredi 18

Les expériences ayant fonctionné, un bilan est effectué afin de préparer la retransmission de l’après-midi. Rédaction des compte-rendus, choix des photos, partage des tâches et créations de présentations à vidéo-projeter animeront cette folle journée... pour le plaisir de tous !

Rédigé par L’animateur : Jérome Mathey, grâce aux écrits des élèves.

Notes:

[1Field Guide to Snowflakes - Ken Libbrecht’s - Voyageur Press

[3http://www.its.caltech.edu/&nbsp ;atomic/snowcrystals/project/project.htm

Photos / Vidéos

Chargement de la carboglace

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