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-- Mieux comprendre les métamorphoses de la neige
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par Jean Bruno Brzoska, Météo-France/Centre d'Étude de la Neige
Article paru dans la revue de l'ANENA "Neige et Avalanches" N° 106 - juin 2004
Le CEN étudie depuis quelques années la microstructure de la neige avec l’aide du Synchrotron de Grenoble ESRF, qui permet de radiographier de petits échantillons sous tous les angles pour en tirer une image numérique tridimensionnelle (tomographie X).
Analyser les images
Des méthodes particulières d’analyse ont été mises au point au cours d’une thèse : elles permettent à partir d’images numériques d’avoir en tout point l’orientation précise (normale) et l’état local (courbure) des surfaces de grains représentées. Le plus grand progrès a été de pouvoir adapter ces calculs géométriques localement en fonction de la forme des grains, en sachant distinguer et traiter différemment les formes planes ou arrondies des arêtes vives qui signalent le facettage.

État initial : neige fraîche

Après 80 jours à -2°C : grains fins
Modéliser la métamorphose

Cette description très fidèle de la micro-structure peut alors servir de point de départ à des simulations numériques de métamorphoses.
La métamorphose de faible gradient, dans laquelle les grains s’arrondissent et se soudent naturellement par transferts de vapeur d’eau dans un environnement à température uniforme (figure 1), est la moins difficile à modéliser : la cristallographie des grains (donc leur orientation) a très peu d’influence et les transferts dépendent presque uniquement de la répartition des courbures dans l’assemblage de grains simulé.

Résultat de la simulation
Premiers résultats

Des simulations ont été réalisées à partir de ce seul principe ; comparées à des données expérimentales, elles se sont avérées très réalistes du point de vue des formes. Restait à prendre en compte le tassement de la neige (et sa densification), un phénomène bien réel mais fort complexe : les grains ou assemblages de grains dont des liaisons s’évaporent peuvent tomber verticalement, mais aussi tourner voire se déformer ; le tassement intervient principalement au début de la métamorphose. En attendant une modélisation plus précise du tassement, la figure 2 montre un premier résultat avec une prise en compte simpliste (les grains tombent verticalement).
Perspectives

La simulation de la métamorphose de gradient (thermique) qui produit faces planes et gobelets constitue évidemment un défi nettement plus captivant pour la nivologie ; il faudra entre autres savoir intégrer les mécanismes délicats de la cristallisation, mais d’abord disposer de données 3D de grains facettés. Une expérience de métamorphose de gradient contrôlé est actuellement en cours au laboratoire du Col de Porte ; le CEN espère pouvoir très prochainement disposer des premières images, pour s’attaquer alors au difficile problème du facettage des grains.
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