La surfusion ou quand la glace reste liquide !

Nous savons tous que l’eau gèle à 0° C. Se peut-il qu’elle reste liquide, même en dessous de ce seuil? 

Tout le monde sait faire des glaçons. Il suffit de refroidir de l’eau en dessous de 0° C (zéro degré Celsius), par exemple dans le congélateur ou tout simplement dehors quand il fait très froid.  

L’eau dans tous ses états 

Dès le XIXe siècle, la littérature cite des cas probablement fictifs de chevaux traversant un lac en hiver et se retrouvant coincés après sa solidification instantanée. Étrange! Car, normalement, le changement d’état de l’eau de l’état liquide vers l’état solide se produit dès 0°C. Cette température correspond à une frontière où l’équilibre de la matière se fait avec des arrangements moléculaires différents. Or, quand l’eau liquide est refroidie en dessous de 0°C, dans des cas de grande pureté et sans aucune vibration, il est en effet possible de garder l’eau en équilibre à l’état liquide en dessous de 0°C avant qu’elle ne se transforme en glace: c’est l’état de surfusion. 

Si l’eau contient beaucoup d’impuretés, est agitée ou subit beaucoup de vibrations et si la température est trop froide, l’équilibre est tellement instable que l’eau prend spontanément sa forme solide. Le minimum de l’eau en état de surfusion se situe autour de -40°C. 

Pourquoi l’eau peut-elle se maintenir liquide sous zéro ? 

La solidification se fait en réalité préférentiellement autour de noyaux de cristallisation, c’est-à-dire de petites particules ou une irrégularité dans le liquide, comme de petits cristaux. Mais, quand l’eau n’a pas de noyau de cristallisation et si la température est encore légèrement inférieure à zéro, les molécules d’eau ne s’organisent pas nécessairement spontanément en cristaux de glace. L’eau reste donc liquide, mais dans un équilibre instable. 

Comment rompre cet équilibre à la maison? 

Il est possible d’observer ce phénomène à la maison en prenant une bouteille d’eau minérale encore jamais ouverte (privilégier une bouteille de 33cl ou 50cl) et en la laissant une trentaine de minutes dans le congélateur. La durée doit être suffisante pour la refroidir en dessous de 0°C, mais pas trop longue non plus, au risque de retrouver la bouteille congelée. Puis, si le congélateur est ouvert délicatement, et qu’aucune vibration ne vient troubler l’équilibre, en donnant un coup sec sur le bord de la bouteille, on observe le front de glace se former à la vitesse de quelques centimètres par seconde. Ou alors, en versant l’eau dans une soucoupe, les plus chanceux peuvent observer une stalagmite se former sous leurs yeux.  

Le savais-tu? 

En météorologie, la surfusion est impliquée dans les phénomènes de pluie verglaçante. Les gouttes d’eau dans l’atmosphère peuvent se retrouver en état de surfusion avant de geler instantanément lorsqu’elles entrent en contact avec le sol. 

Ghislain

Actuailes n°187 - 12 février 2025