Les éléments naturels : glace et givre
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Le Glacier d'Ossoue entièrement gelé.

Stalagtites de glace à l'Observatoire du Pic du Midi de Bigorre.

La glace est de l'eau à l'état solide.

À la pression atmosphérique normale (101 325 Pa), l'eau est sous forme de glace lorsque sa température est inférieure à sa température de fusion qui est, par convention, de 0 °C (soit 273,15 K).

Cependant, en l'absence de cristal de glace, de l'eau calme peut être refroidie à des températures inférieures à 0 °C sans se congeler, dans un état d'équilibre instable appelé surfusion, et atteindre ainsi des températures allant jusqu'à -20 °C.

La température de fusion de la glace servit de point fixe pour la définition originelle de l'échelle de températures Celsius.

À la pression atmosphérique normale (et jusqu'à une pression d'environ 0,2 GPa ou 2 000 bars), les molécules d'eau de la glace ordinaire forment une structure cristalline suivant un réseau hexagonal (a = 4,52 Å, c = 7,37 Å), dont la stabilité est assurée par des liaisons hydrogène ; cette variété allotropique est appelée « glace 1h » ou « glace Ih » (h pour hexagonal). Cette structure présente une faible compacité, et la densité de la glace ordinaire est inférieure à celle de l'eau (917 kg/m³ pour de la glace pure à 0 °C, pression atmosphérique normale).

Ceci explique que la température du point de fusion de la glace ordinaire s'abaisse avec l'augmentation de la pression (il s'agit d'une anomalie : les températures de fusion croissent normalement avec la pression) jusqu'à un minimum de -22 °C pour une pression d'environ 0,2 GPa (ici commence le domaine de la glace).

Le givre est un dépôt de micro-gouttelettes d'eau surfondue (= en surfusion) sur une surface lorsque la température est sous le point de congélation (0 °C). En effet, l'eau peut rester sous forme liquide jusqu'à -39 °C si elle ne rencontre pas de noyau de congélation. Cependant, elle passera directement à l'état solide par contact

La source de gouttelettes pour le givre est un nuage ou le brouillard. Le givrage forme des cristaux de glace, comme se forme la neige, mais en se déposant sur des surfaces solides, constituant un revêtement opaque et granuleux. Il est fréquent en hiver sur le sol, la végétation, les objets et les aéronefs. Le givre peut également se déposer sur des flocons de neige dans les nuages et les enrober d'un dépôt glacé qui augmentera leur densité.

La gelée blanche.

La gelée blanche n'est pas liée au phénomène de surfusion, au contraire du givre. Elle se déclenche immédiatement dès que le refroidissement de l'air (contenant de la vapeur d'eau) près de la surface solide, le plus souvent par rayonnement nocturne, lui a fait atteindre la température du point de gelée, et sans passer par une température plus basse. C'est donc une condensation solide (passage de l'état gazeux à l'état solide). La gelée blanche se présente généralement sous un aspect cristallin, prenant la forme d'aiguilles, de plumes, d'écailles, d'éventails etc. Ce que l'on voit sur une vitre, au sens scientifique, n'est pas du givre mais de la gelée blanche.

Le verglas.

Le verglas est de la pluie ou de la bruine qui gèle. Les gouttes sont plus grosses et ne sont pas nécessairement surfondues. En se congèlant au contact d'objets sous le point de congélation, elles forment une couche claire uniforme sur ces surfaces.