Association Nationale pour l’Étude de la Neige et des Avalanches

Nivologie - Connaissances de base

Cristaux et grains

Les cristaux et grains de neige sont classiquement répartis en six grandes familles. Le terme "cristal" n'est employé que pour la première famille, les cristaux de neige fraîche. Dans les cinq autres cas, on parlera de grains de neige, à cause de leur forme granuleuse. Ils constituent un stade plus ou moins avancé de l'évolution de la neige au sol : particules reconnaissables, grains fins, grains à faces planes, gobelets et grains ronds. Chaque famille a ses caractéristiques morphologiques propres et des propriétés physiques particulières.

1/ Les différents types de cristaux et grains de neige

 

  • 1.1 Les cristaux de neige fraîche

Ce sont les cristaux de neige que l'on peut observer quand il neige par température négative, sans vent. Directement issus des nuages où ils se sont formés, ils n'ont subi aucune transformation. S'ils ont tous une structure de base hexagonale, leur forme peut varier de façon importante. On distingue dix grandes familles dont les plus remarquables sont les étoiles , les plaquettes et les aiguilles ou colonnes . Ces trois familles sont les formes de base à partir desquelles se déclinent les autres.
La plus caractéristique est l'étoile de neige fraîche , avec ses six branches Elle mesure de un à cinq millimètres. Les branches (appelées aussi dendrites) imbriquées les unes dans les autres confèrent aux cristaux de neige une certaine cohésion (ce qui signifie que les cristaux de neige adhèrent les uns aux autres, sont "attachés" les uns aux autres), dite de " feutrage ". Cet enchevêtrement permet à la couche de neige de pouvoir tenir sur des pentes très raides, voire verticales. La cohésion de feutrage est fragile (la neige est poudreuse) et de courte durée (quelques heures à quelques dizaines d'heures). Les autres types de neige fraîche possèdent moins cette cohésion, du fait de leur structure moins dendritique.

Une couche de neige fraîche a généralement une faible masse volumique (50 à 150 kg/m3). Cela est dû au fait qu'elle contient beaucoup d'air : de l'ordre de 90 % de son volume. La grande quantité d'air contenu dans une couche de neige fraîche lui donne une autre importante propriété : son pouvoir d'isolation thermique. En effet, l'air étant un très bon isolant thermique, plus la neige en contient, plus son pouvoir d’isolation thermique est élevé. Une dernière propriété importante de la neige fraîche est son pouvoir réfléchissant des rayonnements solaires (ou albédo). Les cristaux de neige fraîche renvoient 90 % environ du rayonnement solaire qu'ils reçoivent. Ils n'en absorbent par conséquent qu'une très faible partie. Le soleil n'a donc qu'une action de réchauffement très limitée sur une couche de neige fraîche.

 etoile

aiguille ou colonne
Étoile de neige fraîche Aiguilles ou colonnes

plaquette

feutrage

Plaquette Cohésion de feutrage

 

  • 1.2 Les particules reconnaissables


Elles doivent leur nom au fait qu'en les observant, on peut encore dire de quel cristal elles sont issues, car sa forme est reconnaissable. Typiquement, il s'agira d'une étoile de neige fraîche dont deux ou trois branches seront cassées Leur taille est du même ordre de grandeur que les cristaux de neige fraîche, mais moins homogène.
Une certaine cohésion de feutrage subsiste entre des particules reconnaissables. Mais puisqu'il y a moins de branches, il y moins de possibilités d'enchevêtrement . À ce stade d’évolution, on peut également observer des particules plus arrondies et déjà un peu soudées entre elles par de petits ponts de glace, qui confèrent à la couche de neige une cohésion dite de " frittage ", faible dans ce cas . Les ponts de glace sont toutefois peu nombreux. Ainsi, même en présence simultanée de ces deux types de cohésion, une neige de particules reconnaissables est une neige très poudreuse, dans laquelle on s’enfonce : la progression n'y sera pas aisée !
Une couche de particules reconnaissables a une masse volumique de 100 à 200 kg/m3. La proportion d'air étant encore importante dans une telle couche, son pouvoir d'isolation thermique est très bon.
Enfin, les particules reconnaissables ont un albedo semblable à celui de la neige fraîche : le soleil n'a donc qu'une action de réchauffement limitée sur une couche de particules reconnaissables.

ALBEDO : Rapport, généralement exprimé en %, de l'énergie réfléchie par une surface à celle du rayonnement solaire qu'elle reçoit.
Synonyme : réflectance

particules reconnaissables cohesion frittage frittage pont de glace
Étoile de neige fraîche
dont 2 ou 3 branches sont cassées
Particules plus arrondies Cohésion dite de " frittage "

 

 

  • 1.3 Les grains fins


Les grains fins sont de petites particules (moins de 0,5 mm), plutôt sphériques. Ils sont caractérisés par leur cohésion de frittage : de nombreux petits ponts de glace soudent les grains fins à leurs voisins, au niveau de leur point de contact. C'est le type de neige que l'on trouve typiquement dans les corniches et les congères. C'est aussi celle avec laquelle il est le plus facile de découper des blocs avec une pelle ou une scie pour construire un igloo.
Leur masse volumique est assez élevée : 200 à 400 kg/m3. Contenant moins d'air, une couche de grains fins est thermiquement moins isolante. Par contre, son pouvoir réfléchissant des rayonnements solaires est encore élevé, grâce à la petite taille des grains. Le soleil (surtout en plein hiver où il " tape " moins fort qu'au printemps) aura de la peine à réchauffer une couche de grains fins.

  • 1.4 Les grains à face plane


Ce sont des grains anguleux qui présentent, comme leur nom l'indique des faces planes, mais aussi des angles marqués. Leur taille est de l'ordre du millimètre, parfois un peu plus et la masse volumique d'une couche de "faces planes" est environ de 250 à 350 kg/m3. Leur albedo est plus faible que dans les cas précédents (surtout en raison de leur taille plus importante).
Par contre, leur principale caractéristique physique et différence avec les cristaux et grains vus plus haut est l'absence de liaisons avec leurs voisins : la cohésion d'une couche de grains à faces planes est très faible, voire nulle. Quand on prend des " faces planes " dans la main, ils coulent entre les doigts, comme du sucre en poudre.

  • 1.5 Les gobelets


Les gobelets sont également des grains anguleux . Ils se présentent sous forme de pyramides striées, généralement creuses et peuvent mesurer plusieurs millimètres.
Ils ont globalement les mêmes caractéristiques physiques que les grains à faces planes, en particulier l'absence de cohésion entre les grains. Ils auront de ce fait le même comportement mécanique (ils faciliteront le glissement des couches de neige supérieures).

  • 1.6 Les grains ronds


Les grains ronds se distinguent de tous les autres, car ils sont caractéristiques de la neige humide (ou mouillée, qui contient, ou a contenu, de l'eau liquide dans les espaces entre les grains), alors que les cas précédents correspondent à la neige sèche (les espaces entre les grains ou cristaux ne contiennent que de l'air). Ils sont généralement sphériques, lisses et font parfois plusieurs millimètres de diamètre .
La masse volumique d'une couche de grains ronds est élevée : 350 à plus de 500 kg/m3. À cause de leur grande taille, leur albedo est faible : ils absorbent une part importante de l'énergie solaire et se réchauffent donc vite en plein soleil (dégel d’une couche de neige de printemps superficielle de 30 cm d’épaisseur en quelques heures).
La cohésion d'une couche de grains ronds est variable et de deux types. Si l'eau présente entre les grains est liquide et en faible quantité, elle a tendance à maintenir les grains les uns contre les autres (effet de ventouse) : on parle de cohésion capillaire. Par contre si la quantité d'eau liquide augmente, elle a un effet inverse : elle fait perdre à la neige sa cohésion. La neige devient pâteuse (" soupe "). Par contre, si cette eau gèle, elle va souder très fortement les grains ronds les uns aux autres. La neige sera alors très dure (et souvent glissante) : on parle de croûte de regel. La cohésion est donc qualifiée elle aussi "de regel". C'est la plus résistante des quatre cohésions que nous avons vues.

 grains fins

 grains face plane

grains fins Grains à faces planes

gobelets

 grains ronds

Gobelets Grains ronds


2/ La formation de la neige fraîche

Les cristaux de neige fraîche se forment dans les nuages à partir de la vapeur d'eau qui y est présente. Celle-ci se condense en glace sur des impuretés (poussières, particules salines, végétales, etc.) qui se trouvent dans le nuage et que l'on appelle noyaux de congélation. Ainsi naissent les germes de glace, point de départ des cristaux de neige fraîche. Ces germes de glace vont en effet grossir en se "nourrissant" de la vapeur d'eau du nuage, tout en respectant une symétrie hexagonale que l'on retrouve donc dans tous les cristaux de neige fraîche. En fonction de la température de l'air du nuage, cette croissance se fait selon des axes différents, ce qui explique l'origine des trois formes originelles : étoile, plaquette et aiguille (ou colonne). Naturellement, les températures dans un nuage varient, le cristal en tombant rencontre de nouvelles conditions de température. De ce fait, un même cristal peut avoir des formes combinant les trois principales, voire ne plus leur ressembler tant les combinaisons peuvent être complexes.

La neige roulée est un cas particulier puisqu'elle se forme à partir des gouttelettes d'eau liquide (et non à partir de la vapeur d'eau) présentes dans le nuage (malgré sa température négative). Ces gouttelettes gèlent sur le cristal de neige à son contact et lui donne un aspect "boursouflé". La neige roulée (aussi appelée grésil) ressemble aux boules de mimosa. Sa principale caractéristique est son absence de cohésion qu’elle conserve longtemps au sein du manteau neigeux lorsqu’elle est enfouie.

Autre cas particulier : le givre de surface . Il se forme à la surface du manteau neigeux.
Il ne tombe pas du ciel comme la neige, mais pousse comme de l'herbe, lors des nuits froides et par ciel clair, quand l'air est suffisamment humide. Lui aussi n'a pas de cohésion.

givre de surface

Neige roulée Givre de surface


3/ Les transformation de la neige au cours de sa chute

La neige peut déjà faire l'objet de transformations qui expliquent que lorsqu'elle arrive au niveau du sol, elle peut ne plus ressembler aux cristaux de neige fraîche.
Le vent a une action destructive sur les cristaux de neige. En soufflant, il provoque des chocs de cristaux les uns contre les autres. Ces chocs peuvent être suffisamment forts pour casser les parties les plus fragiles des cristaux de neige fraîche (branches d'étoile, aiguilles, etc.).
De même, si au cours de sa chute, le cristal rencontre une température positive, il peut commencer à fondre et donc à perdre sa forme originelle. La neige qui arrive au sol est donc humide et ne ressemble plus au cristal de départ.
Ces deux facteurs expliquent que les neiges qui viennent de tomber peuvent avoir des caractéristiques très variables en fonction des conditions météorologiques (vent et température mais aussi humidité) au moment de leur chute.


4/ Les facteurs de transformation de la neige au sol

Tout au long de l'hiver, les chutes de neige s'accumulent sur le sol puis les unes sur les autres et constituent le manteau neigeux : un empilement de couches de neige sur le sol. Chacune d'elles, plus ou moins épaisse, va ensuite évoluer, se transformer puis disparaître en fondant. Ces transformations se produisent sous l’effet de facteurs mécaniques et thermiques.

 

  • 4.1 Facteurs mécaniques


Le vent a le même type d'action qu'au cours de la chute de neige, mais il concerne la neige qui est à la surface du manteau neigeux . En effet, le vent peut, s'il est assez fort, arracher les cristaux ou grains de neige de la surface du manteau neigeux et les transporter plus loin. Au cours de ce transport et au moment du dépôt, les chocs entre cristaux et grains brisent les parties les plus fragiles. La neige transportée par le vent acquiert une cohésion de frittage qui peut être importante .
Par ailleurs, au cours d'une chute de neige, les cristaux arrivés les premiers sont peu à peu recouverts par les suivants, qui ont un certain poids. Si ce poids est suffisant, il peut casser les parties plus fragiles des premiers cristaux, de la même façon que le vent.

erosion par le vent

frittage pont de glace

Érosion par le vent Cohésion de frittage

 

 

  • 4.2 Facteurs thermiques


Une couche de neige peut être caractérisée par la température de la neige à son sommet, par celle de la neige à sa base (le plus souvent moins froide) et par son épaisseur. Le gradient de température est le rapport entre la différence de température entre le sommet et la base de la couche, et l'épaisseur de cette couche de neige. Un faible gradient signifie que la température ne varie presque pas quand "on se déplace" verticalement dans la couche, alors qu'un fort gradient signifie que la température varie très rapidement. Ainsi, si la couche de neige est épaisse, il faudra une grande différence de température entre son sommet et sa base pour avoir un fort gradient. Par contre si la couche de neige n'est pas très épaisse, il suffira d'une petite différence de température pour avoir le même fort gradient. On distingue deux grands types de transformations (appelées aussi métamorphoses). La métamorphose de faible gradient (< 5°C/m) a pour conséquence d'arrondir les grains, de réduire leur taille et de donner une cohésion de frittage à la couche concernée. La métamorphose de moyen (entre 5 et 20°C/m) et fort gradient (> 20°C/m): ses effets sont exactement opposés à la précédente. Des angles se forment sur les grains, qui deviennent donc anguleux, la taille des grains ne diminue pas et peut augmenter. La couche de neige qui en résulte n'aura plus qu'une très faible cohésion, voire aucune cohésion.
Par ailleurs, l'eau (sous forme liquide), qu'elle provienne de la fonte de la neige ou de la pluie, qui s'infiltre entre les grains de neige d'une couche a pour effet de les arrondir et d'en augmenter la taille, au fur et à mesure des cycles gel-dégel.


5/ Les métamorphoses de la neige

La neige n'est pas un matériau inerte. De sa chute à sa fonte, elle ne cesse de se transformer sous l'effet des conditions météorologiques (qui, entre autre, influencent le gradient de température). Les cristaux et les grains se modifient, évoluent et passent d'une forme à une autre. Après avoir vu les différents facteurs à l’origine des transformations, voyons-en maintenant l’ordre.

 

  • 5.1 Les métamorphoses de la neige sèche


La neige sèche est la neige qui ne contient pas d'eau sous forme liquide. Elle englobe les cinq premières familles de cristaux et grains vus plus haut. Pendant ou après une chute de neige, le vent casse les parties fragiles des cristaux. Il transforme donc les cristaux de neige fraîche en particules reconnaissables, voire en grains fins. Le poids des couches aura le même type d'effet, mais son influence s'arrêtera au stade de particules reconnaissables. La suite des métamorphoses se passera exclusivement sur le sol. Le devenir des particules reconnaissables va dépendre de la valeur du gradient de température de la couche concernée :

- par faible gradient, elles vont se transformer en grains fins ;
- par moyen gradient, elles vont se transformer en grains à faces planes ;
- par fort gradient, elles se transformeront en grains à faces planes (passage intermédiaire obligé) puis en gobelets.

Ces transformations sont irréversibles : il n'y a pas de retour en arrière possible.

La dernière transformation de la neige sèche concerne les grains fins. Quand une couche de grains fins est soumise à un moyen (ou fort) gradient de température, ces grains peuvent se transformer en grains à faces planes (ou en gobelets), à une condition : que la masse volumique des grains fins de départ soit inférieure à 300-350 kg/m3. Dans le cas contraire, la trop faible quantité d'air dans la couche de neige ne permet pas l'établissement d'un gradient moyen ou fort. La transformation grain fin - face plane est réversible : des grains à faces planes soumis à un faible gradient peuvent s'arrondir et donner des grains fins.

La neige roulée et le givre de surface ont un comportement particulier : ils sont insensibles aux métamorphoses de la neige sèche.

  • 5.2 La métamorphose de la neige humide


Le facteur qui intervient dans ce cas est unique : l'eau sous forme liquide. Le résultat de ce type de métamorphose aussi : le grain rond. Par contre, tous les grains sont concernés (sauf les cristaux de neige fraîche, qui se transforment en fait quasi-immédiatement en particules reconnaissables). On remarquera que pour les trois derniers cas, la métamorphose de la neige humide est la seule transformation possible. Le grain rond est donc le dernier stade d'évolution de la neige, avant sa disparition par fonte.

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