Réjouissez-vous, amateurs de glaçons. Le Dr Freeze a livré son magnum opus.
Pour mémoire, Stephen Morris, professeur de physique à l’Université de Toronto, ne se fait pas appeler Dr Freeze. Mais de son propre aveu, il est obsédé par les glaçons. Il les a observés dans l’environnement et les a cultivés dans son laboratoire. Il a accumulé des milliers de photos et des centaines de vidéos de glaçons se formant dans différentes conditions.
Et il a essayé – et essaie encore – de comprendre la théorie sous-jacente qui régit leur essence froide et pointue.
Et maintenant il donne tout cela.
Il l’appelle l’Atlas des glaçons. Il s’agit d’une base de données en ligne qui comprend la quasi-totalité de ses recherches sur les glaçons à ce jour, et elle est gratuite pour tout le monde, qui peut l’utiliser sans restriction, qu’il s’agisse de scientifiques, d’artistes ou de concepteurs de cartes de Noël.
C’est une quantité inhabituellement importante de données scientifiques à rendre publique – l’équivalent de plus de 200 DVD – toutes consacrées aux glaçons. Il n’y a jamais rien eu de tel. Et à une époque où les physiciens remportent généralement des prix Nobel pour avoir étudié des particules invisibles et des phénomènes qui se trouvent bien au-delà de la portée des sens humains, c’est juste un peu rebelle.
« Je m’intéresse aux modèles dans la nature en général », déclare le Pr. Morris, dont le domaine d’expertise est officiellement appelé physique non linéaire expérimentale, mais qui pourrait tout aussi bien être décrit comme la science de l’expérience quotidienne.
« Je suis très motivé pour comprendre les choses que je vois devant moi… des choses qui sont apparentes pour tout le monde mais qui sont relativement inexpliquées. »
Et lorsque le professeur Morris se promène sur le campus et dans les rues du quartier de Toronto où il vit, ce sont des glaçons qu’il voit devant lui.
Voyez le processus hypnotique de construction d’un Atlas des glaçons
ICICLE PLANET
La première chose à apprécier au sujet des glaçons est que, bien qu’ils soient un phénomène naturel, ils ne sont pas faciles à trouver dans la nature.
Prenez une promenade hivernale dans les bois et vous trouverez de la glace et de la neige partout, mais peu de glaçons. Voyagez à travers le système solaire et vous détecterez de l’eau gelée dans pratiquement tous les coins et recoins, de la surface fracturée en forme de patinoire de la lune de Jupiter, Europe, aux profondeurs des cratères ombragés en permanence sur Mercure cuite au soleil. Mais pas de glaçons.
Ce n’est qu’ici sur Terre – et, pour la plupart, seulement dans les villes nordiques – que les glaçons sont une caractéristique relativement commune. Cela s’explique par le fait que les glaçons nécessitent deux choses : une atmosphère qui permet l’existence de l’eau, et les bonnes conditions où cette eau s’égoutte, et peut être amadouée pour transférer suffisamment de chaleur dans l’air pour geler.
Dans les milieux purement naturels, de telles circonstances ne se présentent que lorsque l’eau est proche du point de congélation et en mouvement vertical, comme autour des chutes d’eau, ou s’infiltrant le long des falaises qui peuvent former des cascades gelées.
Mais de tels endroits sont rares. C’est l’arrivée du paysage urbain qui a rendu notre monde propice aux glaçons. Une ville canadienne typique du 19e siècle est essentiellement une machine géante pour générer des glaçons. Si c’est d’eau qui coule que vous avez besoin, vous ne pouvez pas battre ces avant-toits en surplomb et ces toits mal isolés.
Ce qui explique pourquoi on trouve tant de glaçons dans les vieux quartiers d’Ottawa, de Montréal et de Toronto, entre autres. Et parce qu’il vit dans une partie du monde optimisée pour la production de glaçons, il semble inévitable que les glaçons finissent par attirer l’attention du professeur Morris.
La VÉRITÉ LOURDE
Les glaçons sont intrinsèquement intéressants pour les physiciens, car contrairement à l’orbite de la lune ou à la structure d’un atome, il n’existe aucune théorie physique qui prédit de manière fiable leurs formes et caractéristiques précises, compte tenu d’un ensemble particulier de conditions initiales. Et le problème n’est pas seulement académique. Les glaçons appartiennent à un ensemble plus vaste de phénomènes tout aussi difficiles à prévoir et à atténuer, de la croissance des grêlons à l’accumulation de glace sur les ailes des avions, les lignes électriques et les ponts.
En bref, les glaçons offrent « un problème scientifique compact et bien défini, avec des applications pratiques », déclare Lasse Makkonen, scientifique principal au Centre de recherche technique VTT de Finlande à Espoo.
Le Dr Makkonen fait partie de la poignée de scientifiques à avoir fouillé dans les détails de la structure et du comportement des glaçons. À partir des années 1980, il a élaboré une description mathématique de la croissance des glaçons qui aide à expliquer pourquoi les glaçons sont longs et pointus.
Alors que le bon sens veut que l’eau gèle à un rythme égal sur toutes les parties d’un glaçon, il est clair que la pointe croît plus vite que les côtés – jusqu’à 20 fois plus vite, dit le Dr Makkonen. Cela s’explique par le fait que la pointe du glaçon forme un tube creux qui croît dans la goutte d’eau pendante à l’endroit où il se rétrécit. Lorsque la gouttelette tombe périodiquement, elle emporte de la chaleur et expose la pointe à l’air. L’air vole alors plus de chaleur et favorise la poursuite de la croissance de la glace.
Le Dr Makkonen se souvient d’être arrivé à la conclusion sur papier que les glaçons doivent avoir des extrémités creuses, puis d’être allé un jour le tester dans le monde réel.
« J’ai pris une aiguille de pin et je l’ai poussée dans l’extrémité d’un glaçon. Elle est entrée jusqu’au bout, sur environ cinq centimètres. C’était une drôle de sensation : Je l’ai juste noté, sans surprise. Il devait en être ainsi. »
Plus tard, Raymond Goldstein et ses collègues de l’université de Cambridge en Grande-Bretagne ont proposé une théorie pour la forme d’un glaçon dégoulinant – ou plutôt, l’idéal platonicien d’un glaçon. Si la théorie reproduisait la forme longue et pointue, elle ne pouvait pas reproduire certaines caractéristiques, notamment les ondulations.
Tous les glaçons trouvés dans « la nature » ont des surfaces ondulées, la distance entre chaque ondulation ondulée étant en moyenne d’environ un centimètre. Ce chiffre est remarquablement constant, quels que soient la température et le débit.
Les ondulations des glaçons ont été étudiées par des chercheurs japonais de l’Institut des sciences des basses températures d’Hokkaido. Dans une publication de 2002, ils ont postulé que les ondulations se forment en raison d’une « instabilité de surface » dans l’eau qui s’écoule le long d’un glaçon – une légère déviation qui tend à s’accroître avec le temps. Mais quant à savoir pourquoi cette instabilité existe, les chercheurs japonais n’ont pas pu le dire.
C’est à ce moment-là, à partir de 2008, que le professeur Morris s’est emparé du mystère des glaçons – ou peut-être l’inverse.
La machine à glaçons
La clé de la physique des glaçons ne peut être découverte qu’avec des données, a décidé le professeur Morris, et beaucoup de données.
Mais attendre que des glaçons se forment à l’extérieur n’est ni pratique ni une approche appropriée pour une étude contrôlée. En collaboration avec un étudiant diplômé, Antony Szu-Han Chen, le professeur Morris a entrepris de construire une machine à glaçons dans son laboratoire.
De l’extérieur, la machine ressemble à une boîte recouverte de polystyrène avec une fenêtre étroite pour qu’une caméra puisse capturer des images de ce qui se trouve à l’intérieur. Là, des murs réfrigérés enferment un espace refroidi d’environ un mètre de haut avec, au sommet, une cheville de bois rotative sur laquelle de l’eau glacée est lentement égouttée et où des glaçons peuvent pousser. La rotation égalise les effets des courants d’air dans la boîte et permet à la caméra de capturer toutes les faces d’un glaçon à mesure qu’il se développe. De nombreuses autres modifications ont été apportées pour s’assurer que la machine peut faire pousser des glaçons de manière fiable.
« Tout le monde dit que cela ressemble à un projet de foire scientifique, mais c’est faussement compliqué », dit-il.
La machine a permis au professeur Morris et à M. Chen de faire ce que personne n’avait fait auparavant de manière systématique : faire pousser des glaçons, encore et encore, dans un large éventail de conditions. Ils ont pris beaucoup, beaucoup de photos.
Enfin, ils ont découvert quelque chose que personne n’avait réalisé auparavant : Les ondulations des glaçons sont causées par des impuretés, comme des sels, dans l’eau. Lorsque de l’eau distillée est utilisée dans la machine à glaçons, les ondulations disparaissent et les glaçons finissent par ressembler beaucoup plus à l’idéal platonicien du Dr Goldstein.
Ajoutez juste une quantité minuscule de sel, environ deux parties sur 100 000 – ce qui est moins que l’impureté totale de l’eau ordinaire du robinet – et les ondulations reviennent.
Ce travail est « stupéfiant », dit le Dr Goldstein, « parce que les réponses sont si inattendues ».
Le professeur Morris a également utilisé la machine pour faire pousser des glaçons qui sont décidément peu platoniques, avec des formes trapues, des ondulations étendues et des branches ou « jambes » multiples. Tous ces exemples figurent dans l’Atlas des glaçons, qui constitue un répertoire de formes de glace bien mesurées.
Mais le grand objectif n’est pas encore atteint : un ensemble d’équations mathématiques qui anticipent correctement toute la gamme des formes de glaçons et les circonstances dans lesquelles ils apparaîtront.
« Je vais y arriver », dit le professeur Morris à propos de la théorie insaisissable des glaçons. « C’est un projet à long terme. »
THE ATLAS
Les découvertes du professeur Morris ont attiré l’attention au-delà de la communauté des chercheurs. Des personnes du monde entier lui ont envoyé des photos de glaçons dans différents états de croissance. Un entrepreneur l’a un jour approché pour savoir comment fabriquer des glaçons aromatisés qui pourraient être cultivés dans un magasin. (C’est plus difficile qu’il n’y paraît et pas très savoureux.) Plus tard ce printemps, l’ensemble musical torontois Continuum interprétera une pièce partiellement inspirée par les glaçons du professeur Morris.
C’est cet attrait esthétique des glaçons qui l’a poussé à rendre ses données publiques sans restriction, « J’espère être surpris de ce que les gens en font », dit-il.
Pour certains, la réponse résidera simplement dans le fait de parcourir les pages numériques de l’Atlas et de regarder les vidéos des glaçons qui poussent dans la machine du professeur Morris. Ils sont hypnotiques.
Ils nous rappellent également que les glaçons ont un autre intérêt – en dehors de l’évidence. En tant que sous-produits de notre chaleur gaspillée, ils sont la preuve de notre persistance et même de notre prospérité face à une saison froide et impitoyable. C’est une forme de beauté spontanée qui se produit parce que nous sommes là pour en être témoins.
Considérez le glaçon, dit Stephen Morris, et réjouissez-vous.