Pourquoi la neige est-elle blanche alors que l'eau est transparente ?

C'est un paradoxe que l'on croise chaque hiver sans vraiment s'y arrêter : l'eau du robinet est parfaitement transparente, un glaçon l'est presque tout autant, et pourtant la neige, faite du même matériau chimique exact, apparaît d'un blanc si intense qu'elle peut éblouir en plein soleil. Ni additif, ni impureté, ni composition chimique particulière ne distingue la neige de l'eau ou de la glace ordinaire. La réponse à ce contraste se trouve entièrement du côté de la physique de la lumière, et non de la chimie du matériau lui-même.

Comprendre ce phénomène demande de s'intéresser non pas à un seul cristal de neige, mais à ce qui se passe lorsque des milliers d'entre eux s'accumulent ensemble.

Un cristal de glace isolé est transparent

Pris individuellement, un cristal de glace qui compose un flocon de neige est, comme la glace d'un lac ou d'un glaçon, parfaitement transparent. La lumière visible le traverse sans être arrêtée ni absorbée de façon significative, exactement comme elle traverserait une vitre. Si l'on pouvait isoler un unique cristal de neige et l'observer sous un fort grossissement, il apparaîtrait clair et translucide, sans aucune trace de blancheur. Le blanc de la neige n'apparaît que lorsque des milliers, voire des millions de ces cristaux transparents s'assemblent en un flocon, puis en une couche de neige.

La diffusion multiple, clé du phénomène

Chaque flocon de neige possède une structure extrêmement complexe, faite de multiples facettes, arêtes et surfaces de cristaux orientées dans toutes les directions possibles. Lorsqu'un rayon de lumière blanche pénètre dans cette structure, il ne la traverse pas en ligne droite comme il le ferait dans un glaçon lisse : il rebondit d'une surface de cristal à une autre, se réfléchit et se réfracte des dizaines, voire des centaines de fois avant de ressortir, dans un phénomène appelé diffusion multiple. Comme la lumière du soleil ou du ciel contient déjà toutes les couleurs du spectre visible mélangées, cette diffusion renvoie l'ensemble de ces couleurs dans toutes les directions sans qu'aucune ne soit absorbée préférentiellement : l'œil perçoit alors ce mélange de toutes les couleurs renvoyées comme du blanc.

Le rôle essentiel de l'air emprisonné

L'air emprisonné entre les cristaux de glace joue un rôle tout aussi déterminant que les cristaux eux-mêmes. Chaque passage de la lumière d'un cristal de glace vers une poche d'air, puis vers un autre cristal, constitue un changement d'indice de réfraction qui dévie légèrement le rayon lumineux. Plus ces interfaces air-glace sont nombreuses, plus la diffusion est intense et plus le blanc perçu est éclatant. C'est précisément pour cette raison qu'une neige fraîche et poudreuse, riche en air emprisonné entre des cristaux fins et complexes, paraît plus blanche et plus lumineuse qu'une neige tassée ou en fin de fonte, où les cristaux se sont rapprochés et où l'air a largement disparu, un peu comme la structure de certains matériaux transparents change radicalement d'aspect selon la façon dont ils diffusent la lumière, un principe similaire à celui qui explique pourquoi le ciel change de couleur au coucher du soleil selon la façon dont la lumière traverse l'atmosphère.

“La neige n'est pas blanche parce qu'elle contient du blanc, elle est blanche parce qu'elle renvoie toutes les couleurs à la fois, sans en garder aucune pour elle.”, Principe couramment enseigné en optique physique