Kryształów lodu są przestrzennie ukształtowane w przybliżeniu fraktalnie zorganizowane cząsteczki wody w lodzie , z podstawą symetrii heksagonalnej .
Wynika to z postępującej krystalizacji pary wodnej zawartej w powietrzu bez przechodzenia przez fazę ciekłą na początkowym pryzmacie sześciokątnym. Zmienność otrzymanych wysoce symetrycznych kształtów uwarunkowana jest temperaturą i wilgotnością otoczenia: są to kolumny, igły, blaszki i dendryty. Najczęściej jest to hydrométéore którym krystalizacja odbywa się w chmury w temperaturze zamarzania lub w czystym powietrzu w temperaturze poniżej -20 ° C .
W meteorologii kryształki lodu tworzą składniki chmur wysokiego poziomu i płatków śniegu . Jest to również forma opadów powierzchniowych w regionach arktycznych przy bardzo zimnej pogodzie i bezchmurnym niebie (kod Metar : IC ). Według Météo-France i Światowej Organizacji Meteorologicznej do nazwania tego ostatniego rodzaju opadów zaleca się użycie proszku lodowego .
Lód powierzchnia i głębokość siwy są również naturalne kryształki lodu, ale nie są one w deszczu można znaleźć w śniegu . Pierwsza w postaci płaskiego arkusza znajduje się na powierzchni podczas jej formowania, w cienkiej warstwie (w mm). Drugi w kształcie wydrążonej miseczki znajduje się u podstawy, w grubej warstwie (w cm).
W atmosferze kryształki lodu tworzą się samorzutnie przez zamarzanie pary wodnej tylko wtedy, gdy temperatura jest niższa niż -39 ° C, a powietrze jest nasycone. Jeśli temperatura jest wyższa, do rozpoczęcia procesu potrzebny jest rdzeń zamrażarki . Jądra te to cząstki lub jony w zawiesinie, które mają właściwości krystaliczne bardzo podobne do właściwości lodu. Występują naturalnie w bardzo niskich stężeniach w powietrzu, pochodzących z gleb, mórz i pyłu wulkanicznego.
Kiedy kryształy tworzą się w chmurach poniżej punktu zamarzania, ale nie są niższe niż -20 ° C , robią to z zamarzających jąder i stopniowo zwiększają rozmiar zgodnie z efektem Bergerona , pochłaniając otaczającą parę wodną, a nawet przechłodzone krople wody , dając deszcz lub śnieg w późniejszym okresie życia chmury.
Jednak chmury wysokogórskie, chmury Cirrus , są utworzone z kryształków lodu i nie powodują opadów. Ponieważ temperatura na tej wysokości jest bardzo niska, kryształy napotykają tylko inne kryształy i nie mogą osiągnąć wystarczającej masy, aby wpaść do nienasyconego powietrza na zewnątrz chmury bez sublimacji . Jeśli jednak napotkają się w cieplejszej chmurze przed całkowitym rozproszeniem, mogą służyć jako jądro początkowe do tworzenia się opadów.
Kryształy lodu powstają w czystym arktycznym powietrzu z rdzeniem kondensacyjnym lub bez niego. Opadają na ziemię lub pozostają w zawieszeniu, tworząc rodzaj bardzo lekkiego opadu, który jednak znacznie ogranicza widoczność. Zjawisko to występuje zwykle, gdy wilgoć jest dostarczana do bardzo suchego i stabilnego powietrza. Tak więc, jeśli mamy inwersję temperatury z rtęcią poniżej −20 ° C na ziemi i cieplejszą na wysokości, pary wodnej nie można rozcieńczyć i szybko osiągamy punkt nasycenia. Nieliczne mroźne rdzenie, które istnieją w tym środowisku, szybko wychwytują tę wilgoć.
Jeśli temperatura powierzchni jest wyższa, para może napotkać przechłodzone kropelki i utworzyć mgłę lodową zamiast kryształków lodu. Jeśli stężenie rdzenia zamrażarki jest bardzo niskie, konieczne będzie osiągnięcie niższych temperatur, aby zobaczyć pojawienie się kryształów. W ściśle określonych obszarach, takich jak Antarktyce , będą tworzyć się w -25 ° C . Na kontynencie, na którym zjawisko to jest częste, w 1967 r. W rejonie stacji Plateau odnotowano, że 70% rocznych opadów 25 mm w ekwiwalencie wodnym spadło w postaci kryształków lodu.
Kod Metar dla tych kryształków lodu lub proszku lodu to IC .
Kryształki lodu utworzą płatki, śnieg przybiera różne formy, które różnią się w zależności od temperatury, ale także stopnia wilgotności :
Płyta sześciokątna.
Kryształy z sześcioma długimi ostrzami.
Pusta kolumna zwieńczona płytami.
Sześciokątny kryształ z dendrytowymi przedłużeniami.
W przypadku opadów arktycznych są to sześciokątne kolumny lub płyty, ponieważ ich tworzenie jest powolne ze względu na niską zawartość wody.
Kryształy lodu w chmurach lub IC mają właściwości dyfrakcyjne podobne do innych kryształów. Przechodzące przez nie światło Słońca lub Księżyca jest rozkładane na jego składniki i możemy zobaczyć aureole. W przypadku chmur Cirrus halo jest widoczne, gdy chmura znajduje się między widzem a źródłem światła. W przypadku układu scalonego widać to w ten sam sposób lub przy załamaniu 180 stopni, czyli ze źródłem światła za plecami widza.
W 2008 roku kanadyjska stacja meteorologiczna na pokładzie lądownika Phoenix wykryła śnieg podczas badań klimatu marsjańskiego. Zespół naukowy, który przeanalizował wyniki, wyjaśnia, że para wodna jest wyrzucana w górę w ciągu dnia, tworząc chmury kryształów lodu w niższych warstwach atmosfery. W nocy woda przepływa przez atmosferę i zamienia się w śnieg. Proces ten porównano do procesu formowania się pyłu lodowego obserwowanego w Arktyce.
W kosmosie, w obłoku międzygwiazdowym , zjawisko tunelu kwantowego mogłoby wyjaśnić pojawienie się wody, przekształconej w kryształki lodu w kosmicznym mrozie (a także pojawienie się molekularnych syntez astrochemicznych, syntezy molekularnego wodoru i potencjalnie prebiotycznego formaldehydu ).