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parClaude SERGENT Météo-France - Centre d'Études de la Neige |
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Article paru dans la revue de l'ANENA "Neige et Avalanches" N° 83 - septembre 1998 |
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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).
Chacune de ces strates s’est constituée au cours d’un épisode neigeux et les conditions météorologiques au mo-ment 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. |
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| Figure 1 . Coupe d'un manteau neigeux qui fait apparaître les différentes strates qui le compose. |
Les caractéristiques physiques et mécaniques d’une strate de neige dépendent en grande partie des types de cristaux de neige qui la composent. A 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 |
1. 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. A 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.
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| Figure 2. Shéma 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).
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Figure 3. Shéma explicatif du phénomène de frittage. |
| Les caractéristiques
physiques et mécaniques d'une strate de neige dépendent en
grande partie des types de cristaux qui la composent |
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• 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). 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). . |
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| Figure 4. Principe du calcul du gradient vertical de
température dans une couche de neige. |
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. A 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’au dessus, le grain plus
froid élimine le trop plein de vapeur d’eau à son voisinage
en subissant une con-densation 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). On peut observer qu’il y a
transfert de masse de grain à grain par l’intermédiaire
de la phase vapeur. |
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| Figure 5. Schéma du processus de transfert de masse, par la phase
vapeur dû au gradient de température. |
• 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 < 0,1mm).
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. |
| 2. Les métamorphoses
pendant la chute de neige |
Lors d’une chute de neige par température négative
(altitude du manteau neigeux situé 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) mais des particules reconnaissables : (symbole : / ) (Fig.7).
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), 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. |
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| Plaquette |
Étoile |
Aiguilles |
| Figure 6. Différents types de cristaux de
neige fraîche. (photo E. Pahaut - CEN/ Météo France) |
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| Figure 7. Particules reconnaissables ; Les traits horizontaux sont espacés de 0,2 mm. (photo E. Pahaut - CEN/ MF) |
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| Figure 8. Grains fins. (photo E. Pahaut - CEN/ Météo France) |
| 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.9).
En fait, aux altitudes moyennes (1800/2000 m), les chutes de neige sont
souvent accompagnées de vent 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. |
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| Figure 9. Grains fins obtenus par
métamorphose de faible gradient.(photo E. Pahaut - CEN/ Météo France) |
Avec la réduction des structures dendritiques, la neige déposée
voit ses distances inter granulaires 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 inter granulaires,
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 un forte cohésion de frittage. Il faut garder à la mémoire
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. |
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NEIGE 
