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

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.

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.

Figure 3. Shéma explicatif du phénomène de frittage.

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).

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.

• 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.

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.

Figure 6. Différents types de cristaux de neige fraîche.

Figure 7. Particules reconnaissables ;
Les traits horizontaux sont espacés de 0,2 mm.

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

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.