presque irrésistible, qui a été observée scientifiquement pour la
première fois en 1607, par Huygens. Il a rempli d'eau deux moitiés d'un
canon de pistolet et les a très exactement fermés avec des vis et du
plomb fondu. Ces canons de pistolet, exposés à l'air par un froid très
vif, furent brisés par l'effet de la congélation de l'eau. L'expérience,
qui avait été très remarquée, fut répétée par plusieurs savants pendant
les rudes froids de l'hiver de 1670.
La force expansive de la glace peut briser des obstacles encore plus
résistants. Ainsi, le major d'artillerie Edward William, étant à Québec
par un froid très vif, remplit d'eau une bombe de 13 pouces de diamètre,
ferma le trou de la fusée avec un bouchon en fer fortement enfoncé, et
l'exposa à la gelée. Au bout de quelque temps le bouchon de fer fut
lancé à une grande distance, et un cylindre de glace de 8 pouces de long
sortit de l'ouverture. Dans une autre expérience, le bouchon ayant
résisté, la bombe elle-même fut fendue.
Les anciens connaissaient parfaitement les effets de la congélation de
l'eau. Plutarque, dans son traité sur _la Cause du froid_, raconte que
«dans les climats où l'hiver est très rude, le froid fait éclater les
vaisseaux de cuivre et de terre, et jamais quand ils sont vides, mais
seulement quand ils sont pleins, parce qu'alors le froid donne à l'eau
une très grande force.»
Que de fois, de nos jours, se produisent ces accidents signalés par
Plutarque. Tout vase, tout tuyau de conduite des eaux dans lequel se
forme la glace est perdu si la dilatation ne peut s'y produire
librement. Les canalisations d'eau des villes, les pompes des
particuliers, sont rompues en maints endroits quand on n'a pas eu la
précaution de les maintenir vides pendant l'hiver. Les pierres assez
poreuses pour s'imprégner d'eau se brisent sous l'action de la gelée;
les plantes dont les canaux sont gorgés de sève ont le même sort.
A côté des conséquences fâcheuses de l'expansion de l'eau qui se gèle,
il convient de placer ses avantages. Supposons la glace plus lourde que
l'eau. Au fur et à mesure de sa formation, elle se rendra au fond de la
mer, du lac, de la rivière dans laquelle elle aura pris naissance;
l'eau, toujours en contact avec une atmosphère glacée, continuera à se
congeler, et l'amoncellement du solide sur le fond augmentera de plus en
plus. A la fin d'un hiver rigoureux, la masse de glace sera énorme; elle
comblera le lac, elle obstruera la rivière, elle déterminera la perte de
tous les animaux aquatiques. Dans la réalité, au contraire, nous voyons
les glaces surnager, former à la surface une croûte solide. L'eau qui
continue à couler au-dessous est dès lors préservée du froid comme le
sol l'est par la neige; elle ne se gèle plus qu'avec une extrême
lenteur; la couche de glace n'augmente pas indéfiniment d'épaisseur. Que
le dégel vienne, elle sera aisément fondue, rapidement entraînée, et la
rivière reprendra son aspect normal.
Revenons à la force expansive de la glace. Aussi grande qu'elle soit,
elle n'est cependant pas irrésistible; si le vase qui renferme l'eau est
assez résistant, comme le serait, par exemple, un canon d'acier très
épais, la rupture ne se produit pas. Dans ce cas, la congélation n'a pas
lieu, et l'eau demeure liquide malgré le refroidissement intense auquel
on la soumet. C'est que les deux faits, expansion, congélation, ne
peuvent être séparés; tout obstacle opposé au premier arrête en même
temps le second. On peut donc avoir, sans forte pression, de l'eau
liquide beaucoup plus froide que la glace. Mais si la pression, qui
seule s'opposait à la formation de la glace, disparaît, la masse entière
de l'eau prendra immédiatement l'état solide.
Réciproquement, du reste, si on presse très fortement un morceau de
glace de manière à diminuer son volume, elle redeviendra liquide,
quoique étant plus froide que zéro, sa température normale de fusion.
Cette fusion, bien entendu, ne sera que momentanée, et ne durera pas
plus longtemps que la pression qui l'a produite. C'est Faraday qui le
premier a découvert, en 1850, l'action d'une pression extérieure sur la
formation de la glace. Le phénomène a été ensuite étudié par plusieurs
savants, et notamment par M. Tyndall. Son importance est telle pour le
sujet qui nous occupe, que nous devons le mettre en évidence par
quelques expériences simples.
[Illustration]
AB est un bloc de glace appuyé sur deux supports par ses extrémités. A
cheval sur ce morceau de glace, plaçons un fil de fer fin fortement
tendu par deux poids un peu lourds. Nous verrons le fil pénétrer peu à
peu dans la glace, la couper entièrement, pour tomber bientôt
au-dessous. Et cependant, quand le fil de fer aura tout traversé, nous
trouverons le bloc de glace entier, d'un seul morceau, comme auparavant.
La pression du fil avait d'abord déterminé la fusion de la glace; elle
n'aurait pas été coupée sans cela, car elle n'est ni molle, ni
plastique. Mais l'eau résultant de la fusion passant au-dessus du fil,
et n'étant plus comprimée, s'est regelée à mesure qu'elle se produisait,
et a ressoudé ainsi les deux morceaux.
[Illustration]
Voici maintenant un autre bloc de glace. Après l'avoir mis au-dessus
d'une cavité hémisphérique C, taillée dans un morceau de bois dur,
recouvrons-le d'une seconde cavité D semblable à la première, et
comprimons fortement au moyen de la presse hydraulique. Des craquements
se font entendre qui indiquent la rupture de la glace; de l'eau s'écoule
en assez grande quantité, indice de fusion, puis les deux parties du
moule se rejoignent. Séparons-les, nous obtiendrons une sphère de glace
B, parfaitement transparente, d'une seule pièce. La glace qui avait été
fondue par la pression se regèle aussitôt que cesse cette pression en
produisant la sphère parfaite que nous admirons.
Les phénomènes de dégel et de regel ont dans la nature une grande
importance. C'est grâce à eux que la neige pulvérulente, chauffée et
serrée entre les mains, se transforme en une boule dure et solide dont
les enfants savent si bien tirer parti; que la neige des hautes
montagnes se transforme peu à peu en glace capable de couler le long des
flancs de la montagne comme un lent torrent d'eau; que les glaçons
charriés par un fleuve se soudent entre eux pour former une nappe
continue; que, dans les débâcles, cette nappe disjointe par la crue des
eaux peut se reformer de nouveau, et constituer dès lors une barrière
infranchissable qui arrête le courant et détermine en amont de terribles
inondations. Nous reviendrons sur tout cela.
Mais si la glace a de singulières et importantes propriétés, l'eau aussi
présente des particularités précieuses que nous devons connaître si nous
voulons comprendre comment se congèlent les fleuves et les lacs. Tandis
que tous les liquides se contractent sous l'action du froid, l'eau seule
fait exception. Refroidie à partir de 20 degrés, elle commence par
diminuer de volume; mais arrivée à la température de quatre degrés, sa
contraction cesse et se change en une dilatation qui continue jusqu'au
moment de la congélation.
Une expérience bien simple nous permettra de mettre cette propriété en
évidence. Remplissons d'eau un tube thermométrique A et exposons-le au
froid de l'hiver, en même temps qu'un thermomètre à alcool B. Le liquide
descendra d'abord dans les deux vases, par suite de la contraction que
produit le froid; mais au moment où le thermomètre indiquera la
température de 4 degrés, nous verrons l'eau cesser de descendre dans le
tube A pour prendre une marche ascensionnelle. A partir de là, les deux
appareils auront une marche inverse, le liquide montant dans l'un,
descendant dans l'autre. L'ascension de l'eau sera lente d'abord; mais à
partir de zéro, alors que la glace commencera à apparaître, elle sera
bien plus rapide par suite de la formation du solide. En somme,
l'augmentation considérable qui doit se produire dans le volume au
moment de la congélation commence dès la température de 4 degrés; à
cette température, l'eau a un maximum de densité; elle est plus lourde
qu'à toute autre.
[Illustration]
[Illustration]
L'expérience bien connue de Hoppe, un peu modifiée, va nous aider à
tirer de ce fait une conséquence importante. Trois thermomètres sont
plongés dans un vase plein d'eau de façon à donner à chaque instant la
température du fond, du milieu et de la surface du liquide. Le tout est
abandonné à un refroidissement lent dans une atmosphère à basse
température. Les trois thermomètres, qui donnent d'abord la même
indication, ne tardent pas à se séparer. A mesure que l'eau voisine de
la surface et des parois se refroidit, elle devient plus lourde, glisse
lentement vers le fond; A va seul baisser jusqu'à ce qu'il arrive à
marquer la température de quatre degrés. Dès lors le liquide du fond,
aussi lourd que possible, deviendra immobile; des couches successives
d'eau à quatre degrés se superposeront à la première, et,
successivement, les thermomètres B et C donneront la même indication.
Voilà donc toute la masse à 4 degrés. Le refroidissement continue, l'eau
plus froide devient plus légère, monte, et c'est le thermomètre C qui va
seul baisser; il ne tardera pas à marquer zéro, et la congélation
commencera à la surface du liquide, produisant une glace plus légère
encore qui restera en haut; puis, l'action du froid se prolongeant
encore, B et ensuite A arriveront à zéro; la glace se formera sur les
parois, augmentera d'épaisseur jusqu'à ce que toute la masse soit
solidifiée.
Recommençons l'expérience dans des conditions différentes, en enterrant
le vase dans la terre, de façon que le refroidissement ne se produise
que par la surface. Le commencement du phénomène ne sera pas modifié; il
se produira seulement avec plus de lenteur. Mais à partir du moment où
les trois thermomètres marqueront à la fois la température de 4 degrés,
tout changera. L'eau refroidie seulement par la surface, devenant plus
légère, restera à la partie supérieure, et le thermomètre du haut seul
baissera; il atteindra bientôt zéro, et la glace commencera à se former.
Nous aurons donc une couche de glace au-dessus d'une masse d'eau à 4
degrés. Cette glace, agissant en corps mauvais conducteur, empêchera le
refroidissement de l'eau qui se trouve au-dessous; l'épaisseur de la
couche n'augmentera qu'avec une grande lenteur, et après plusieurs
jours, plusieurs mois même d'un froid assez vif, nous aurons encore,
sous la glace, de l'eau à la température de 4 degrés. La masse entière
ne deviendra solide que si le froid est très intense.
C'est justement ce qui se produit dans les lacs, où l'eau peut être
considérée comme à peu près tranquille. Au commencement de l'hiver toute
la masse d'eau est à la température de 15 à 20 degrés: elle se refroidit
lentement de manière à atteindre 4 degrés dans toute sa profondeur; ce
refroidissement sera fort lent si la profondeur du lac est considérable,
et le plus souvent l'hiver sera terminé avant que le phénomène soit
accompli. C'est pour cela que les grands lacs, et surtout les lacs
profonds, se gèlent si rarement. Mais dès que la masse entière de l'eau
sera arrivée à la température du maximum de densité, les courants
intérieurs cesseront, la surface se refroidira rapidement et ne tardera
pas à se couvrir de glace. Protégées par ce manteau isolant, les eaux
profondes se conserveront indéfiniment à 4 degrés pendant que la glace
augmentera lentement d'épaisseur jusqu'à devenir capable de supporter
les plus lourds fardeaux. C'est qu'en effet la glace conduit un peu
mieux la chaleur que la neige, et nous verrons, dans les hivers très
longs et très rigoureux, qu'elle pourra atteindre une épaisseur de
plusieurs pieds. Nous savons qu'au contraire une épaisseur bien moindre
de neige préserve complètement le sol du refroidissement.
Nous ne serons plus étonnés, maintenant, de voir les grands lacs, aux
eaux si calmes, encore libres de glaces tandis que les rivières les plus
impétueuses sont arrêtées: la faible profondeur des rivières en certains
points est la cause de leur peu de résistance au froid.
Pourtant, dans les climats très rigoureux, les lacs se gèlent aussi,
surtout les moins profonds, et la navigation y devient impossible.
C'est ce qui arrive pour les lacs de l'Amérique du Nord, surtout ceux de
la Nouvelle-Bretagne, qui se gèlent chaque année. Le journal _la Nature_
rapporte qu'en hiver les petits lacs du Canada sont, depuis quelques
années, le théâtre d'un nouveau sport qui a beaucoup de vogue. Des
sortes de traîneaux, montés sur une traverse de bois munie à chacune de
ses extrémités d'un patin allongé, portent des voiles qui les font
glisser sur la glace avec une rapidité considérable. En Hollande cet
exercice est très répandu, et semble remonter à l'année 1600. On assure
qu'il n'est pas rare de voir ces bateaux à glace se mouvoir sous
l'action du vent avec une rapidité de 46 kilomètres à l'heure.
[Illustration: Canada.--Sous l'action du vent, on voit ces bateaux se
mouvoir sur la glace avec une grande rapidité.]
La congélation des rivières est beaucoup moins rare que celle des grands
lacs: dans notre pays, au climat si tempéré, elle se produit un grand
nombre de fois dans chaque siècle. Il n'est peut-être pas un fleuve de
l'Europe qui n'ait été gelé quelquefois. Même sur cette terre si chaude
de l'Afrique, le Nil a été arrêté par le froid: en 829, l'année où le
patriarche jacobite d'Antioche, Denis de Telmahre, alla avec le calife
Al-Mamoun en Egypte, ils trouvèrent le Nil gelé. Pour ne parler que de
la France, la Seine fut prise quatorze fois et le Rhône trois au
dix-huitième siècle; depuis l'année 1800, la Seine en est à sa douzième,
le Rhône à sa troisième gelée.
Du reste, la congélation des fleuves se produit d'une manière très
capricieuse. Tandis qu'en 1762 la Seine fut totalement prise après six
jours de gelée, et par un froid de -9°.7, elle resta constamment libre
en son milieu en 1709, par un froid de -23°, précédé de gelées fortes et
prolongées. Les causes de ces inégalités, dont nous dirons quelques
mots, sont encore mal ou plutôt incomplètement connues.--La congélation
de la surface de la mer, plus rare sur nos côtes, se produit au
contraire avec une grande régularité dans ses conditions: on peut
affirmer qu'il faut un froid persistant de 14 à 16 degrés au-dessous de
zéro pour geler nos ports de mer et l'eau de nos côtes. Choisissons
quelques exemples pris dans les hivers dont nous ne donnerons pas la
description spéciale.
Strabon rapporte que, l'année 66 avant Jésus-Christ, le froid fut si
intense en Orient, qu'un des généraux de Mithridate défit sur la glace
la cavalerie des barbares précisément à l'endroit où en été ils furent
vaincus dans un combat naval, à l'embouchure des Palus Méotides (mer
d'Azof).
En 559 de notre ère, les Bulgares, en passant sur le Danube glacé,
viennent fondre dans la Thrace et s'approchent des faubourgs de
Constantinople.
En 763, le Bosphore et le Pont-Euxin gelèrent.
En 860, la mer Adriatique était prise autour de Venise, et sa lagune
parcourue par les cavaliers et les voitures chargées des marchands.
En 1074, le froid, rendu plus vif par une bise d'une âpreté et d'une
sécheresse inouïes, était si rigoureux que les fleuves étaient pris non
seulement à la surface, mais convertis en un bloc de glace. Nous n'avons
pas besoin de faire remarquer ici l'exagération du chroniqueur: les
fleuves ne peuvent jamais être convertis en un bloc de glace, car ils ne
peuvent jamais être absolument arrêtés dans leur course.
En 1082, au mois de décembre, l'empereur Henri IV traversa le Pô
complètement gelé, suivi de ses soldats et d'une grande multitude de
citoyens.
En 1149, l'hiver fut rude dans les Flandres. Les eaux de la mer étaient
complètement gelées et praticables sur une distance de plus de trois
milles à partir du rivage; les vagues, qui s'étaient solidifiées,
apparaissaient de loin comme des tours.
Cette congélation de la mer sur les côtes doit nous arrêter quelques
instants. Elle ne se produit que rarement, dans les hivers tout à fait
exceptionnels, et encore ne s'étend-elle jamais beaucoup au loin. La mer
Baltique elle-même, par 58° de latitude, ne se gèle jamais en totalité.
Chaque année une partie assez considérable de la Baltique se prend,
mais, durant les derniers siècles, elle ne l'a pas une seule fois été en
totalité. Au quatorzième siècle ces congélations semblent avoir été plus
nombreuses que de nos jours, et la glace atteignait une plus grande
épaisseur. Ainsi, en 1323, «la partie méridionale du bassin gela
complètement, et pendant six semaines les voyageurs se rendaient à
cheval de Copenhague à Lubeck et à Dantzig: on avait même élevé sur la
glace des hameaux temporaires au croisement des routes.»
Le même phénomène se produisit en 1333, 1349, 1399, 1402, 1407.
La mer Noire, qui ne reçoit aucune dérivation du Gulf-Stream, largement
ouverte à tous les vents qui descendent des régions polaires, semble
avoir été prise plus souvent et surtout plus complètement, quoiqu'elle
soit bien plus proche de l'équateur, et que ses eaux soient beaucoup
plus salées que celles de la Baltique.
Nous avons cité déjà plusieurs exemples de ces congélations; le dernier
est plus frappant: «En 401, la mer Noire gela presque entièrement, et
lors de la débâcle on vit d'énormes montagnes de glace flotter pendant
trente-deux jours sur la mer de Marmara. Il en fut de même en 762, et
cette année-là la glace fut couverte d'une couche de neige haute de
vingt coudées.»
Revenons à notre nomenclature. En 1457, il gela si fort qu'on passait la
rivière d'Oise et plusieurs autres rivières à chariot et à cheval. En
Allemagne, le froid fut si vif que sur le Danube congelé campa une armée
de 40000 hommes. En 1493, la lagune et tous les canaux de Venise
gelèrent; les gens à pied, les chevaux et les voitures passaient dessus.
En 1503, le Pô fut gelé et soutint le poids de l'armée du pape Jules II.
En 1548, toutes les rivières de France furent gelées de manière à porter
les voitures les plus pesamment chargées.
Le froid de l'hiver de 1589 fut si rude qu'il gela entièrement le Rhône;
les mulets, les voitures, les charrettes, tout le traversait à Tarascon
comme sur une grande route. Le colonel Alphonse y fit même passer à deux
ou trois reprises des canons; le maréchal de Montmorency le franchit
ensuite avec sa compagnie de gendarmes. En 1595, la mer se prit sur les
côtes de Marseille. En 1620, le Zuyderzée gela entièrement; une partie
de la mer Baltique fut couverte d'une glace très épaisse; les glaces des
lagunes de l'Adriatique emprisonnèrent la flotte vénitienne. Le froid
fut très intense en Provence.
En 1655, en Allemagne, «le froid fut si vif qu'à Wismar
(Mecklembourg-Schwerin, dans la Baltique) on vit arriver des chariots
chargés et attelés de quatre chevaux, de la distance de 40 kilomètres.
En 1683, «la Tamise, à Londres, fut si fortement gelée qu'on y érigea
des cabanes et des loges; on y tint une foire qui dura deux semaines, et
dès le 9 janvier les voitures la traversèrent et la pratiquèrent dans
tous les sens comme la terre ferme; on y donna un combat de taureaux,
une chasse au renard, et sur la glace on fit rôtir un boeuf entier. La
mer, sur les côtes d'Angleterre, de France, de Flandre, de Hollande, fut
gelée dans l'étendue de quelques milles, au point qu'aucun paquebot ne
put sortir des ports ou y rentrer pendant plus de deux semaines.»
En 1726, on passa en traîneau de Copenhague à la province de Scanie, en
Suède.
Des phénomènes analogues à ceux que nous venons de rapporter se
produisirent encore en 1754, 1762, 1765, 1766...
Nous pouvons remarquer que, dans tous les hivers assez rigoureux pour
congeler profondément les rivières, on en profite pour les transformer
en voies de communication. Tantôt on se contente de les traverser,
évitant ainsi les longs détours nécessaires pour aller chercher les
ponts, tantôt on s'en sert en guise de routes. C'est surtout dans les
pays du Nord, où les rivières se gèlent solidement presque chaque année,
que ces singuliers chemins sont fréquentés. Plutarque rapporte que
«certains peuples barbares, quand ils veulent traverser les rivières,
font marcher devant eux des renards. Si la glace n'est pas épaisse, et
que l'eau ne soit prise qu'à la surface, ces animaux, avertis par le
bruit de l'eau qui coule sous la glace, retournent sur leurs pas.»
Guettard, membre de l'Académie des sciences, raconte, en 1762, comment
on utilise en hiver la Vistule congelée. «La neige qui couvre les
chemins ayant pris de la consistance par les gelées, les chemins
deviennent praticables aux traîneaux, qui ne sont pas même arrêtés par
les rivières; elles sont alors gelées et permettent ainsi à toute espèce
de voitures de les traverser; cette facilité engage donc alors les gens
de la campagne à conduire à Varsovie sur des traîneaux ce qu'ils ont à
vendre; c'est un malheur pour la campagne et la ville lorsque l'hiver
est trop doux, qu'il ne tombe point ou très peu de neige, et que les
rivières ne prennent point: c'est dans la vue de prévenir ce dernier
inconvénient, qu'aussitôt que la Vistule charrie beaucoup, des hommes
portés par de petits bateaux jettent entre les glaçons de la longue
paille, afin que par son moyen les glaçons puissent s'entre-accrocher,
ralentir par conséquent leur mouvement, et faire prendre entièrement la
rivière; alors, si l'on veut avoir promptement un chemin qui soit ferme
et sûr pour traverser cette rivière, on le forme avec de la même paille
que l'on arrose: elle ne fait bientôt plus qu'un seul corps avec cette
eau, qui se gèle aussitôt, et avec les glaçons; elle procure ainsi un
chemin sur lequel on peut passer, lors même qu'il ne serait pas prudent
de tenter le passage dans les autres endroits où les glaçons sont
également arrêtés. Ce chemin est même cause que dans le dégel la rivière
ne débâcle pas aussitôt qu'elle le ferait si on ne l'avait pas formé: on
s'en sert encore pour le passage, lorsqu'on a abandonné les autres qui
n'avaient été tracés que par les voitures et les passagers. Au reste,
les uns et les autres sont très commodes, lors surtout qu'il est tombé
beaucoup de neiges; ils en deviennent plus unis.»
La glace ne devient assez forte pour porter les charges que lorsqu'elle
a atteint une certaine épaisseur. Cette épaisseur est beaucoup moins
considérable qu'on ne serait tenté de le croire, car la glace a une
grande force de résistance, qui se trouve encore bien augmentée par
l'eau qui la soutient par-dessous. Des expériences ont été poursuivies
sur ce sujet par plusieurs physiciens, Hamberger, Temanza, Toaldo, par
la Société royale de Londres. On a reconnu qu'il faut 5 centimètres pour
que la glace porte un homme, 9 centimètres pour qu'un cavalier y passe
en sûreté; quand la glace atteint 13 centimètres, elle porte des pièces
de huit placées sur des traîneaux, et quand son épaisseur s'accroît
jusqu'à 20 centimètres, l'artillerie de campagne attelée peut y passer.
Les plus lourdes voitures, une armée, une nombreuse foule, sont en
sûreté sur la glace dont l'épaisseur atteint 27 centimètres.
Examinons maintenant comment se forme la glace à la surface des rivières
et des mers. Ici il s'agit d'une eau sans cesse agitée, dans laquelle
les phénomènes que nous avons étudiés à propos des lacs ne peuvent se
produire. On a constaté, en effet, que l'eau d'une rivière a dans toute
sa masse et en toute saison une température à peu près uniforme, à cause
du mélange continuel produit par le courant. Quand cette température est
arrivée à zéro, la congélation de la rivière commence: elle charrie des
glaçons. Les savants ont cru longtemps que ces glaçons étaient
exclusivement formés à la surface de l'eau. Il s'en forme effectivement
ainsi, notamment dans tous les points où le courant est assez faible,
sur les rivières à faible pente, et sur les bords des rivières plus
rapides. Ces glaces de surface restent en place, s'étendant de plus en
plus, ou bien se détachent et deviennent flottantes. Mais ce n'est là
l'origine que d'une bien faible partie des glaces flottantes. Le plus
grand nombre se forme au fond, directement sur le lit. Les glaces de
fond non plus ne se forment pas partout. Leur production n'a lieu que là
où la profondeur est peu considérable et où le fond est formé de
cailloux ou de gravier.