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). 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. A 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 au 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.

4. 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).

Figure 10. Grains à face planes (les traits verticaux sont espacés de 0,2 mm). (photo E. Pahaut - CEN/ Météo France)

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 10 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.

5. 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). Dans sa forme finale, le grain prend généralement une forme pyramidale striée très caractéristique. Communément appelé "gobelet"
(symbole : ^ ) (Fig. 12), ce grain a des dimensions importantes (0,6 à 2 mm, et peuvent atteindre parfois 4 mm et plus). A 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.

Figure 11. Shéma de formation des gobelets.

Figure 12. Gobelets ou givre de profondeur. (photo E. Pahaut - CEN/ Météo France)

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).

1. 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). 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). 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.

2. 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). 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%.

Figure 15. Grains ronds.

Plus généralement, les tailles des grains ronds sont généralement comprises entre 0,2 et 2 mm. À 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.