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

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Transport de neige par le vent au Col du Lac Blanc(Massif des Grandes Rousses).

transport de neige par le vent

Symboles des différents grains de neige

symboles des grains de neige

Les métamorphoses de la neige

L’examen d’une coupe, réalisée dans un manteau neigeux, montre que celui-ci est constitué d’un empilement de strates de neige aux caractéristiques physiques et mécaniques différentes (fig. 1).

coupe d'un manteau neigeux

Figure 1. Coupe d'un manteau neigeux qui fait apparaître les différentes strates qui le composent.

Chacune de ces strates s’est constituée au cours d’un épisode neigeux et les conditions météorologiques au moment de la chute ainsi que celles ayant régné ensuite lui ont conféré ses caractéristiques. Elles continueront d’ailleurs d’évoluer jusqu’à la fonte finale. Outre les conditions météorologiques proprement dites, l’exposition topographique joue un rôle important car elle peut influencer fortement l’effet des événements météorologiques. Le manteau neigeux est donc un matériau hétérogène. Les caractéristiques physiques et mécaniques d’une strate de neige dépendent en grande partie des types de cristaux de neige qui la composent. à partir de la neige fraîche qui se dépose, on assiste à des transformations des cristaux initiaux sous l’influence d’effets thermodynamiques et mécaniques. Ces transformations appelées métamorphoses vont conduire de la neige fraîche à la fonte par une évolution continue. Les phases de transition sont caractérisées par des combinaisons de cristaux (ou grains de neige) à des stades d’évolution différents. La neige est un matériau poreux dont la température est toujours inférieure ou au plus égale à 0 °C. Mélange d’air et de glace, uniquement à température négative, on dit alors que la neige est sèche. Cependant l’air contient de la vapeur d’eau et l’eau est alors présente sous deux de ses phases, gazeuse et solide. Lorsqu’il y a présence d’eau liquide dans la neige, les trois phases de l’eau sont en équilibre thermodynamique et cela se traduit par une température de 0 °C. Lorsque la neige est sèche, les métamorphoses des grains de neige, se font par l’intermédiaire de la phase vapeur, alors que dans le cas de la neige humide, elles se font essentiellement par la phase liquide, la phase gazeuse étant généralement assez réduite. C’est la raison pour laquelle nous distinguerons deux types de métamorphoses : les métamorphoses de la neige sèche et les métamorphoses de la neige humide. Outre ces transformations thermodynamiques, les cristaux de neige peuvent subir des transformations liées à des contraintes mécaniques dues au vent, ou au poids des couches de neige supérieures lorsqu’ils sont enfouis. Il existe donc plusieurs facteurs ou moteurs des métamorphoses. Certains ne concernent que la neige sèche.

Dans le cas de neige humide, la présence d’eau liquide associée à une isothermie à 0 °C diminue ou empêche leur action, et ce sont d’autres agents qui interviennent alors.

La neige sèche

Les agents des métamorphoses de la neige sèche

En l’absence d’eau liquide, les transformations de la neige sont dues soit à des effets mécaniques soit à des phénomènes thermodynamiques où n’interviennent que deux phases de l’eau, solide et gazeuse. L’effet de rayon de courbure L’air ne peut contenir qu’une quantité limitée de vapeur d’eau (tension maximale de vapeur saturante), cette limite ne dépendant que de la température. Au voisinage d’une surface d’eau liquide ou de glace, cette quantité maximale dépend aussi de la forme de cette surface. Le rayon de courbure d’une surface caractérise la forme de cette surface. Les formes convexes (pointes, bosses) ont de faibles rayons de courbure, la forme plane a un rayon de courbure infini et les formes concaves (creux) ont des rayons de courbure négatifs dont les valeurs absolues sont d’autant plus petites que les creux sont prononcés. à une température donnée, la tension maximale de vapeur saturante est plus élevée au voisinage des convexités qu’à celui des surfaces planes ou concaves. On observe donc globalement plus de vapeur d’eau près des bosses que des creux. Ce déséquilibre ne peut persister, et il s’établit un flux de vapeur des zones convexes vers les zones concaves. Les zones proches des convexités se trouvent alors en sous-saturation, provoquant la sublimation d’une partie de la forme convexe de la glace (passage de l’état de glace à l’état de vapeur d’eau). à l’inverse, les zones proches des zones concaves sont en état de sur-saturation, et il en résulte une condensation solide de la vapeur d’eau en trop dans la concavité (passage de l’état de vapeur d’eau à l’état de glace). La diffusion de vapeur d’eau des zones de forte valeur (convexités) vers les zones de faible valeur (concavités) entretient le phénomène qui conduit à un adoucissement des contours, à la disparition des plus petits grains, et même à un arrondissement des cristaux à l’issue d’un temps assez long (fig. 2). On constate qu’il y a transfert de masse des parties convexes vers les parties concaves par l’intermédiaire de la phase vapeur.

schéma des transferts de masse

Figure 2. Schéma des transferts de masse par la phase vapeur dus à l'effet de rayon de courbure.

Une conséquence importante de l’effet de rayon de courbure est la cohésion de frittage. Lorsque deux grains de neige, que nous supposerons sphériques pour simplifier la démonstration, sont en contact, la zone de contact forme une concavité. La vapeur d’eau a donc naturellement tendance à se condenser autour du point de contact, créant ainsi un pont de glace entre les deux grains. On dit alors qu’il y a cohésion de frittage entre les deux grains. La rapidité de formation et l’importance des ponts de glace sont d’autant plus grandes que les grains de neige sont petits. Chaque fois qu’il y a contact entre les grains de neige, un pont de glace se forme conférant à la neige une certaine cohésion dont la qualité dépend du nombre de ponts de glace. Les neiges sèches constituées de petits grains (< 0,3/0,4 mm) auront donc une bonne cohésion de frittage, tandis que celles constituées de grains plus gros auront une faible cohésion de frittage (fig. 3). Les caractéristiques physiques et mécaniques d’une strate de neige dépendent en grande partie des types de cristaux qui la composent.

cohésion de frittage

Figure 3. Schéma explicatif du phénomène de frittage.

Le gradient vertical de température

Le gradient vertical de température d’une couche de neige caractérise la répartition verticale de la température dans cette couche. D’une façon générale, la base du manteau neigeux est à une température proche de 0 °C, alors qu’en surface, lorsque la neige est sèche, la température peut être assez basse avec des valeurs atteignant parfois -20 à -30 °C. Le gradient vertical de température est exprimé par le rapport entre la différence de température entre deux niveaux et la distance verticale qui sépare ces deux niveaux (fig. 4).

gradient vertical de température

Figure 4. Principe du calcul de gradient vertical de température dans une couche de neige.

Il est lié à la qualité d’isolant de la neige, fonction de la quantité d’air qu’elle contient, et donc de sa masse volumique. C’est donc en général dans les couches de surface, généralement constituées de neiges récentes et peu épaisses, que l’on pourra rencontrer les forts gradients alors que, plus en profondeur, les neiges étant plus denses, ils seront moins importants. Lorsqu’une couche de neige est humide, la présence d’eau liquide implique une température uniforme de 0 °C, et par conséquent un gradient nul (voir § « La neige humide »). Dans une couche de neige sèche soumise à un gradient vertical non négligeable, chaque grain de neige est plus chaud que celui qui est au-dessus de lui. à son voisinage immédiat, l’air qui est à la même température, peut contenir plus de vapeur d’eau que celui du grain supérieur. Le déséquilibre local des pressions de vapeur saturante, entraîne alors un transfert de vapeur du grain le plus chaud vers le grain le plus froid. Pour combler la perte de vapeur d’eau à son voisinage, le grain le plus chaud se sublime donc en partie, tandis qu’au6dessus, le grain plus froid élimine le trop plein de vapeur d’eau à son voisinage en subissant une condensation solide de ce trop-plein, caractérisé par l’apparition d’angulosités (cristallisation dans le système hexagonal). On dit aussi que ce dernier subit un givrage (fig. 5).

processus de transfert de masse

Figure 5. Schéma du processus de transfert de masse, par la phase vapeur, dû au gradient de température.

On peut observer qu’il y a transfert de masse de grain à grain par l’intermédiaire de la phase vapeur.

La température

Dans le cas de la neige sèche, la température a un rôle important sur les métamorphoses car elle les freine ou les accélère. La quantité maximale de vapeur d’eau qu’il peut y avoir au voisinage d’un grain de neige est fortement liée à la température de l’air environnant. Plus la température d’une couche de neige sera proche de 0 °C, plus les transferts de glace par la phase vapeur des parties convexes des cristaux vers les parties concaves seront importants ; plus l’arrondissement des grains sera rapide. Dans l’effet dû au gradient, deux couches de neige de même épaisseur dont les températures base/sommet sont respectivement de : -5/-20 °C et -15/-30 °C, ont des températures moyennes différentes, bien qu’étant soumises au même gradient de température, et la première évoluera plus vite.

Le vent

Il s’agit dans ce cas d’un agent mécanique de transformation des cristaux de neige qui peut agir soit au moment des chutes de neige, soit après une chute de neige lorsqu’il est capable de reprendre la neige de surface dont la masse volumique et la cohésion sont encore assez faibles. Les turbulences liées au vent provoquent la sublimation d’une partie des cristaux et des collisions entre ceux-ci. Les parties fragiles des cristaux (ex : branches des étoiles appelées aussi dendrites) résistent mal aux chocs et se brisent. Plus le vent est fort, plus les collisions sont nombreuses, réduisant les cristaux à de petites particules de glace parfois très fines (diamètre < 0,1 mm). De même, pour ce qui concerne la sublimation si l’air est relativement sec. La conséquence importante, outre les accumulations de neige dans les zones de calme, est une prise de cohésion de frittage au moment du dépôt, d’autant plus rapide et forte que les particules sont petites. Le dépôt qui se constitue généralement dans des combes abritées des vents forts, peut avoir une consistance friable ou dure suivant la nature des grains de neige présents. C’est ce phénomène qui est aussi à l’origine de la formation des corniches.

chasse-neige

Chasse-neige important se produisant 24 heures après de fortes chutes de neige.

Les métamorphoses pendant la chute de neige

Lors d’une chute de neige par température négative (altitude du manteau neigeux située au-dessus de l’isotherme 0 °C), les cristaux souvent agglomérés en flocons peuvent être soumis à l’action mécanique du vent qui a pour conséquence de briser, plus ou moins, suivant sa vitesse, les structures dendritiques fragiles.

Si les destructions ne sont pas très importantes, on peut encore voir de nombreuses formes originelles dendritiques et on dit que l’on n’a plus des cristaux de neige fraîche : (symbole +) (fig. 6)

cristaux de neige fraîche

Figure 6. Différents types de cristaux de neige fraîche.

mais des particules reconnaissables : (symbole /) (fig. 7).

particules reconnaissables

Figure 7. Particules reconnaissables.

Si les destructions sont très importantes, la neige qui se dépose est constituée de très fines particules et il devient difficile de trouver encore des structures dendritiques. Ces cristaux ou grains de neige se nomment grains fins : (symbole •), que l’on pourrait qualifier de mécaniques (fig. 8),

grains fins

Figure 8. Grains fins obtenus lors d'un épisode de neige très venté.

étant donné leur origine et par différenciation avec ceux qui sont obtenus par des mécanismes thermodynamiques (voir § « Métamorphose de faible gradient »). Si l’on fait abstraction du vent, les cristaux de neige sont soumis, pendant leur chute, à l’effet de rayon de courbure dont la conséquence est un adoucissement des contours. Cet effet est d’autant plus marqué que la température de l’air est proche de 0 °C, mais néanmoins insuffisant pour faire disparaître toute forme dendritique et la neige qui se dépose est alors du type particules reconnaissables. Avec des températures assez basses (<-10/-8 °C) l’effet de rayon de courbure est peu efficace et la neige qui se dépose est généralement composée de cristaux peu transformés de neige fraîche ( + ) (fig. 6). En fait, aux altitudes moyennes (1800/2000 m), les chutes de neige sont souvent accompagnées de vents plus ou moins forts et sous des températures de l’ordre de -3 à -6 °C. Dans ces conditions, la neige qui se dépose est constituée d’un mélange de fragments dendritiques et de cristaux aux contours adoucis, le tout étant souvent plus ou moins givré par les gouttelettes d’eau surfondues captées pendant la chute. Avec la réduction des structures dendritiques, la neige déposée voit ses distances intergranulaires diminuer, et ceci a pour conséquence l’augmentation de sa masse volumique. Ainsi une neige tombée sans vent à une température assez basse de l’ordre de -15 °C a en moyenne une masse volumique de l’ordre de 20 à 50 kg/m3, alors qu’avec un vent de l’ordre de 10 m/s et une température de -5 °C, elle peut atteindre des valeurs de 150 à 200 kg/m3. Mais on constate qu’en moyenne, au moment de la précipitation, la neige a une masse volumique de l’ordre de 100 kg/m3, ce qui a en outre l’avantage de permettre d’appliquer la correspondance : 10 cm de neige/10 mm d’eau. Autre conséquence de la diminution des distances intergranulaires, le nombre des points de contact, autour desquels se produit le frittage, augmente et la cohésion aussi. Ainsi donc, plus les transformations seront importantes pendant la chute (vent fort, température proche de 0 °C), plus la neige déposée aura une forte densité et une forte cohésion de frittage. Il faut garder à l’esprit que plusieurs jours après une chute de neige tombée sans vent et restée légère du fait de températures assez basses, le vent peut se lever et effectuer une reprise de cette neige pour la transporter parfois sur de longues distances et la déposer dans les endroits où il se calme. On assiste alors au même phénomène que lors des chutes de neige ventées avec le risque de surcharges locales pouvant donner lieu à des départs spontanés d’avalanche.

La métamorphose de faible gradient

G < 5 °C/m - Au sein d’une strate de neige sèche, les effets de rayon de courbure et de gradient sont simultanés mais antagonistes puisque l’un tend à arrondir les cristaux alors que l’autre tend à les rendre anguleux. C’est la valeur du gradient de température qui va réguler le type de transformation. Pour de faibles gradients (G< 5° C/m), l’effet de rayon de courbure l’emporte sur l’effet de gradient, ce qui provoque un arrondissement des grains. Si au départ, nous avons de la neige fraîche ( + ), celle-ci voit ses formes s’émousser, et se transforme peu à peu en particules reconnaissables ( / ), puis, si le processus persiste, toutes les formes dendritiques disparaissent laissant la place à des grains aux formes arrondies nommés grains fins ( • ) dont les diamètres sont de l’ordre de 0,1 à 0,4 mm (fig. 9).

grains fins

Figure 9. Grains fins obtenus par métamorphose de faible gradient.

La rapidité des transformations dépend évidemment de la température de la neige. Si le passage de l’état de neige fraîche à l’état de particules reconnaissables est généralement assez rapide (quelques jours), l’apparition des grains fins demande plus de temps. A titre d’exemple, avec un gradient de 3 °C/m et une température moyenne de la couche de neige de - 3,5 °C, il faut attendre une dizaine de jours pour obtenir un mélange particules reconnaissables/grains fins. Dans cette métamorphose, la disparition des formes dendritiques se traduit par un rapprochement des grains, et donc par une augmentation du nombre des points de contact autour desquels le frittage se produit. à l’échelle de la strate de neige, on observe alors un tassement général, avec une augmentation notable de la masse volumique (qui atteint alors 200 à 300 kg/m3) et un passage de la cohésion de feutrage (imbrication des dendrites) à la cohésion de frittage. Si au début de la perte de cohésion de feutrage, on peut assister sur les pentes les plus raides à des instabilités à l’origine de purges spontanées, la prise de cohésion de frittage confère ensuite à la strate une meilleure stabilité. De plus, cette cohésion est d’autant meilleure que les grains sont petits puisque les points de contact sont nombreux. Seule ombre au tableau, ce type de neige manque de plasticité et supporte mal les contraintes.

La métamorphose de moyen gradient

5° C/m < G < 20° C/m - Dans ce cas, la différence de température, selon la verticale, entre les grains devient sensible, et chaque grain est plus chaud que celui qui est au-dessus de lui. L’effet de gradient entre en concurrence avec l’effet de rayon de courbure et l’emporte. Les flux de vapeur liés aux différences de température entre les grains sont plus importants que ceux liés aux différences de courbure. La cristallisation de la vapeur d’eau aux points froids, caractérisée par l’apparition d’angulosités, est plus rapide que la sublimation liée à l’effet de rayon de courbure. Néanmoins, l’effet de courbure permet au début de la métamorphose de provoquer la sublimation des petits grains et des branches les plus fines. Le résultat global est l’apparition d’un type de grain anguleux comportant des facettes faisant des angles à 120 ° (cristallisation dans le système hexagonal), appelé grain à faces planes : (symbole ), (fig. 10).

grains à faces planes

Figure 10. Grains à faces planes.

Cette métamorphose peut affecter avec efficacité la neige fraîche, les particules reconnaissables et les grains fins. Dans les deux premiers cas, elle s’accompagne d’un tassement important de la couche de neige lié à la disparition rapide des structures dendritiques. Pour ce qui concerne les grains fins, la variation de densité est faible. Avec un gradient de 15 °C/m, Il faut environ dix jours pour qu’une neige fraîche se transforme en un mélange de particules reconnaissables et de grains à faces planes. Les grains à faces planes ont en moyenne des masses volumiques de l’ordre de 250 à 350 kg/m3. En outre, et cela est sans doute le fait le plus important, leurs tailles sont sensiblement plus élevées que celles des grains fins, pouvant aller en moyenne de 0,4 à 0,6 mm de diamètre. Ceci a pour conséquence la diminution du nombre de points de contact, et donc de la cohésion de frittage. Nous avons donc avec cette métamorphose une perte de cohésion de la strate de neige, source d’instabilité lorsqu’elle est recouverte par d’autres chutes de neige. La présence d’une telle strate, dite couche fragile, est souvent observée comme plan de glissement dans les avalanches, notamment de type déclenchement accidentel. Cependant, lorsqu’une couche de grains à faces planes est soumise à un faible gradient, l’effet de rayon de courbure peut alors provoquer un retour vers des formes arrondies, et s’ils sont encore assez petits, la cohésion de frittage peut à nouveau consolider la strate.

La métamorphose de fort gradient

G > 20 °C/m - Dans ce cas, la différence de température entre les grains suivant la verticale est très marquée, et les flux de vapeur sont plus intenses. Le premier stade de transformation se caractérise par l’apparition rapide de grains à faces planes accompagnée d’un tassement notable pour ce qui concerne la neige récente (+ ou /). Puis, peu à peu, chaque grain voit sa base croître par condensation de la vapeur d’eau provenant du grain inférieur. En raison de l’intensité du flux de vapeur, cette condensation se fait sous la forme de marches de glace. Par ailleurs, sa partie supérieure est le siège de sublimation qui va lui donner un aspect plus arrondi et plus lisse (fig. 11).

schéma de formation des gobelets

Figure 11. Schéma de formation des gobelets. 

schéma des métamorphoses de neige sèche

Schéma synthétique des métamorphoses de neige sèche. Faible gradient G < 5°C/m - Moyen gradient 5°C/m < G 20°C/m - Fort gradient G > 20°C/m. 

schéma métamorphose de neige humide

Schéma synthétique de la métamorphose de neige humide.

Dans sa forme finale, le grain prend généralement une forme pyramidale striée très caractéristique. Communément appelé « gobelet » (symbole : ^) (fig. 12),

gobelet ou givre de profondeur

Figure 12. Gobelet ou givre de profondeur.

ce grain a des dimensions importantes (0,6 à 2 mm, et peuvent atteindre parfois 4 mm et plus). à l’échelle de la strate de neige, ces grains de grande dimension impliquent une très faible cohésion de frittage, les points de contact étant peu nombreux. Cette neige se comporte de façon caractéristique, comme du gros sel, et coule dans la main quand on essaye de la manipuler. Sa masse volumique, peu différente de celle des faces planes varie entre 250 et 400 kg/m3. C’est évidemment une neige qui, enfouie au sein du manteau neigeux, induit une instabilité latente importante. Surmontée d’une strate plus dure, elle est à l’origine de nombreux départs d’avalanches suite à des surcharges naturelles ou accidentelles. La croissance des gobelets nécessite des échanges de vapeur d’eau de grain à grain ainsi que de l’espace pour se développer. Aussi, la densité de la neige initiale, pour permettre ceci ne doit pas être trop élevée. Dans des conditions naturelles, les neiges dont les densités excèdent 350 kg/m3 ont peu de chance d’évoluer en gobelets, tout au plus en grains à faces planes. Il faut noter que même avec le rétablissement d’un faible gradient, les gobelets ne peuvent plus être transformés et la strate gardera sa faible cohésion. Seule une humidification notable pourra les transformer. L’expérience montre qu’une couche de neige constituée de grains fins, d’une densité de 260 kg/m3, et soumise à un gradient de l’ordre de 55 °C/m se transforme en couche de gobelets dont les tailles atteignent en moyenne 2 mm au bout de 26 jours. Un très fort gradient peut en quelques jours transformer une neige récente en grains à faces planes. Un exemple assez classique est celui d’une faible chute de neige (10 cm) qui se dépose sur un manteau neigeux humidifié, cette chute étant suivie d’un refroidissement sensible avec des températures de surface de l’ordre de -10 °C. Le gradient subi est alors de l’ordre de 100 °C/m (base de la couche à 0 °C). En deux jours, des grains à faces planes peuvent apparaître et, avec le tassement, constituer une couche fragile de l’ordre de quelques centimètres très dangereuse pour l’avenir.

La neige humide

Lorsque de l’eau liquide est présente dans la neige, on dit qu’elle est humide, et la température d’équilibre entre les trois phases de l’eau (solide, liquide et gazeuse) est nécessairement de 0 °C. Si ceci est vrai à l’échelle de la strate de neige humide, il n’en est pas de même à l’échelle des grains de neige pour lesquels les températures d’équilibre ou température de fusion de la glace vont être légèrement inférieures ou même parfois supérieures à 0 °C (entre quelques millièmes et quelques dix-millièmes de degré) suivant leurs formes (convexité ou concavité) ou leur grosseur. Ces très petites variations ainsi que la quantité d’eau liquide présente permettent d’expliquer les métamorphoses observées.

On peut distinguer deux régimes de transformation liés à la quantité d’eau liquide présente ou teneur en eau liquide (TEL).

Les régimes de la métamorphose de la neige humide

Le régime des faibles TEL

Dans le cas où la quantité d’eau liquide est faible (TEL massique < 2 %), celle-ci, sous l’effet des forces de capillarité, se loge autour des points de contact, formant ainsi des ménisques d’eau entre les grains, ainsi que dans les creux des grains (fig. 13).

3 phases  Teneur en Eau Liquide TEL

Figure 13. Schéma de répartition des trois phases de l'eau dans le cas des faibles TEL.

Dans cette configuration, les diamètres des grains et surtout, les forces capillaires exercées entre les grains vont avoir pour effet d’abaisser la température d’équilibre ou point de fusion de la glace. Plus la quantité d’eau est faible et plus les forces capillaires sont importantes et abaissent la température de fusion (de l’ordre du millième de degré au-dessous de 0 °C). Dans cette neige, les grains dont les ménisques sont les plus petits en volume, auront donc tendance à fondre les premiers. Ce phénomène conduit à une harmonisation des quantités en eau des liaisons inter granulaires. Pour ce qui concerne les grains, l’abaissement de la température du point de fusion est inversement proportionnel à leur diamètre. En conséquence les grains les plus petits auront tendance à fondre les premiers ainsi que les parties les plus convexes (leurs petits rayons de courbure les assimilent à des grains de petit diamètre). Dans les deux cas, l’eau liquide ainsi libérée migre par capillarité vers les grains restants, ainsi que vers les zones concaves et provoque ainsi leur arrondissement et leur grossissement en regelant. Ces passages de l’état solide à l’état liquide, et inversement, induisent respectivement absorption et libération de chaleur qui entretiennent la métamorphose. La présence d’air freine les flux de chaleur entre les grains, et ceux-ci se font principalement par les liaisons eau/glace. Si la TEL augmente, la métamorphose devient plus rapide en donnant de plus en plus la prédominance à l’influence du diamètre des grains. Ainsi dans le cas des faibles TEL, le grossissement des grains est assez lent du fait de la présence d’interfaces glace/air, mais devient plus rapide lorsque la TEL augmente. Cependant, même si la transformation est lente, à l’échelle de la strate de neige, on observe un arrondissement ainsi qu’un grossissement global des grains. Par ailleurs, la présence de fortes pressions capillaires entre les grains maintient une assez bonne cohésion d’ensemble.

Le régime des fortes TEL

Lorsque la TEL devient importante (>12 % en masse), c’est-à-dire lorsque la phase liquide devient continue, les interfaces glace/ air n’existent plus ou très peu (fig. 14).

3 phases3 phases de l'eau fortes TEL

Figure 14. Schéma de répartition des trois phases de l'eau dans le cas des fortes TEL.

Dans ce cas, la pression capillaire est faible, et seul le rayon de courbure des grains a un effet sur la modification de la température du point de fusion de la glace (de l’ordre du dix-millièmes de degré au-dessous de 0 °C). Les grains les plus petit fondent alors au profit des plus gros sur lesquels il y a regel puisque la température de fusion y est plus élevée. De la même façon les parties les plus convexes fondent aussi au profit de celles qui le sont moins et notamment des parties concaves. Dans ce cas, les transformations sont plus efficaces parce que les flux de chaleurs dus aux changements de phase se font facilement entre les grains par la phase liquide, sa conduction thermique étant nettement supérieure à celle de l’air. En outre, la contrainte exercée aux points de contact entre les grains, si elle est assez forte (à la base d’un manteau neigeux épais), a pour conséquence d’abaisser la température du point de fusion à cet endroit. On observe alors une fusion et un élargissement des contacts. Cet effet est important puisque le point de fusion peut être de l’ordre du millième ou du centième de degré au-dessous de 0 °C. Dans ce régime de métamorphose, à l’échelle de la strate de neige, on assiste a une densification rapide avec arrondissement et grossissement des grains, mais d’un point de vue mécanique la disparition des liaisons entre les grains diminue fortement la cohésion globale.

La métamorphose de la neige humide

L’humidification de la neige peut se faire de deux façons. Par fusion de surface du manteau neigeux sous l’effet d’un bilan énergétique positif des échanges neige/atmosphère (air chaud, fort rayonnement solaire, etc.), ou par l’apport direct d’eau liquide qu’est la pluie. L’humidification des strates de neige se fait essentiellement par la surface du manteau neigeux. Que ce soit l’eau de pluie, ou l’eau de fusion de surface, sa pénétration en profondeur ne se fait pas de façon homogène, mais par des cheminements préférentiels ou chemins de percolation. On peut donc trouver dans une couche de neige humide des TEL variables, voire sur un même niveau horizontal des zones humides et des zones sèches. Cependant, pour une couche de neige dont la base ne repose pas sur une surface imperméable, il y a le plus souvent drainage de l’eau liquide dès que sa capacité de rétention en eau est dépassée. La valeur de rétention en eau de la neige dépend de sa densité avant humidification et varie entre 12 % en masse pour des densités de l’ordre de 250 kg/m3 et 7 % pour des densités de l’ordre de 500 kg/m3. Dans ces conditions, la métamorphose implique un arrondissement des grains assez rapide, et on peut observer l’apparition de grains ronds (symbole : O) (fig. 15).

grains ronds

Figure 15. Grains ronds.

Quant au grossissement, très lent pour les basses TEL, il devient plus rapide avec les TEL proches de la valeur de rétention. L’expérience montre qu’une neige récente soumise à une humidification pendant 16 jours, se transforme en neige de grains ronds dont les diamètres atteignent environ 0,2 mm avec une TEL massique de l’ordre de 2 %, et 0,6 mm si la TEL est de 10 %. Plus généralement, les tailles des grains ronds sont généralement comprises entre 0,2 et 2 mm. A l’échelle de la strate de neige, on constate une augmentation progressive de la densité (jusqu’à 500 kg/m3), et la cohésion assez bonne aux faibles valeurs de TEL tend à diminuer si celle-ci augmente. Lorsqu’une strate de neige s’humidifiant repose sur une surface imperméable, ou sur une couche de neige dans laquelle l’eau ne peut pas s’écouler (grains plus gros ou neige moins dense), une couche saturée peut se former. Dans ces conditions, la métamorphose se produit en régime de très forte TEL. D’une part, le grossissement des grains ronds est rapide et d’autre part, les liaisons de glace ainsi que capillaires entre les grains disparaissent. à l’échelle de la strate, la densification est importante, mais la cohésion devient très faible. On peut alors assister à des déclenchements d’avalanches de neige humide ou avalanches de fonte. Lorsque les neiges humides subissent un refroidissement, l’eau liquide présente gèle progressivement créant de solides liaisons de glace entre les grains ronds avec formation d’agglomérats de plusieurs mm, et parfois de croûtes de glace. La neige acquiert alors une excellente cohésion dite de regel. C’est ce que l’on peut observer fréquemment au printemps avec l’alternance de réchauffements diurnes suivis de refroidissements nocturnes.

Tous les types de neige peuvent être transformés par humidification en grains ronds, et c’est d’ailleurs la seule transformation que peuvent subir des grains tels que les gobelets et la neige roulée. Au coeur de l’hiver, un fort réchauffement accompagné de pluie peut donc être salutaire pour l’avenir d’un manteau neigeux fragilisé par la présence de telles strates. Il ne faut cependant pas négliger dans ce cas les risques de crue avalancheuse au moment du réchauffement.

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