Neige et Glace M2. Cours n 2 Propriétés physiques de la neige: mesure et modélisation.

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1 Neige et Glace M2 Cours n 2 Propriétés physiques de la neige: mesure et modélisation. Ghislain Picard Laboratoire de Glaciologie et Géophysique de l'environnement

2 Introduction Le premier cours présente la neige et le métamorphisme d'un point de vue qualitatif. On aborde ici un point de vue quantitatif. Quelles sont les propriétés physiques importantes de la neige? Comment les mesure-t-on? Comment les modélise-t-on? Les propriétés physiques: Densité. Taille de grain et surface spécifique. Conductivité thermique et le profil de température. Perméabilité. Teneur en eau. Albédo et absorption d'énergie radiative (cf cours climat)....

3 Densité, masse volumique, volume fractionnel et porosité. Variable physique la plus facile à mesurer, elle évolue pendant le métamorphisme. Usage universel et tentatives de corréler les autres variables à la densité. Masse volumique (density en Anglais): Densité (peu usité): Volume fractionnel: =m / V d= / eau f= / ice =1-f Porosité: Dans la suite, on parlera de densité pour dire masse volumique. Unité: kg/m3 on voit encore (trop) souvent: g/cm3 La densité de la glace pur est de 917 kg/m3 ou 0.97 g/cm3 quand elle est pure.

4 Densité, masse volumique, volume fractionnel et porosité. Parenthèse. La densité de la glace est un peu moindre si elle contient de l'air comme dans les carottes de glace (~912 kg/m3) et encore moins (<900 kg/m3) dans certains cas de formation particulière ->

5 Densité. Se mesure facilement... a priori. On prélève un volume connu et on pèse avec une balance ou un dynamomètre. En pratique, difficile d'obtenir une bonne précision sur le volume.

6 Densité. Autres techniques: mesure sur carotte, tomography Rayon-X, stereologie,...

7 Densité. Variable Neige fraiche Cristaux décomposés Grains fins, ET Grains fins, croûte vent metamorphisme Cristaux facettés Givre de profondeur Croûte de regel Densité, kg m Surface spécifique, m2 kg Pénétration lumière, cm Permeabilité, m Conductivité thermique, W m-1 K-1 Neige fraiche 0.01 à 0.20 Décomposés 0.06 à 0.25 Grains fins, ET 0.15 à 0.35 Croute vent 0.30 à 0.60 Facettés 0.13 à 0.30 Gobelets 0.15 à 0.30 Croûte regel

8 Densité. Profil d'un manteau Antarctique (Dome C). Mesure sur carotte de neige La densité croît avec la profondeur mais de nombreuses variations sont présentes en surface (0-5m).

9 Densité. Profil d'un manteau de taïga particulier (congère) Remarques: la densité ne croît pas de façon uniforme. Dans les manteaux arctiques, la densité peut être faible au fond (givre de profondeur)

10 Densité. On observe généralement une densification des couches au cours du temps. Quel(s) processus peuvent expliquer cette évolution?

11 Densité. 4 processus physiques de densification sans échange de matière Glissement, neige fraiche Métamorphisme destructif Glissement, neige âgée

12 Densité. 4 processus physiques de densification sans échange de matière: Charge Charge Applatissement des grains? Fluage Généralisé ou localisé? Pression locale modérée, le fluage s'arrète. Pression locale très élevée. La densité peut aussi évoluer par échanges de matière: Sublimation Vent et comblement des interstices Apport d'eau liquide

13 Densité. Exemple de modélisation de la densification (modèle SNTHERM): ϵ = σ η Deformation = - contrainte / viscosité Dans le cas de la neige, on doit peut considérer la contrainte lié à la charge + une contrainte liée au métamorphisme ou initiale. σs+ σo ϵ = η Cette astuce permet de rendre compte de la densification des couches superficielles qui ne subissent aucune charge

14 Densité. Exemple de calcul avec le modèle CROCUS au Col de Porte et observations Crédit: S. Morin (CEN)

15 Densité. Exemple de calcul avec le modèle CROCUS au Col de Porte (manteau alpin) et à Sodankula, Finland (manteau Arctique) Crédit: S. Morin (CEN)

16 Tailles de grain et surface spécifique. Un vaste sujet. On distingue facilement des petits et des gros grains dans les manteaux peu transformés. Mais deux complications quand on veut vraiment quantifier: qu'est-ce qu'un grain? comment définir la taille d'un objet de forme complexe, avec potentiellement des parties concaves? En supposant qu'on puisse identifier des grains, différentes métriques existent: Taille d'extension maximale (De) Tailles de l'ellipse qui entourent le grain en 2 dimensions. Rayon convexe moyen. Mais il existe aussi des notions applicables pour des milieux poreux non granulaires: Surface spécifique ou rayon optique. Longueur de corrélation.

17 Tailles de grain et surface spécifique. Pour les grains fins bien ronds, peu cohésifs, le modèle sphérique est une bonne approximation: taille = rayon = rayon moyen = rayon max =...

18 Tailles de grain et surface spécifique. Ellipse sur une photo 2D: petit-axe, grand-axe et rayon équivalent (S/P)

19 Tailles de grain et surface spécifique. Surface spécifique: surface de l'interface air/neige par unité de masse. SSA= SSA: specific surface area S S = M ice V Unité: m2/kg Remarque: Si on préfère une interprétation géométrique, on peut utiliser S/V, unité: m -1 S'applique quelque soit la forme des grains et même plus généralement sur tout milieu poreux même non granulaire. Tomographie Rayon X, CEN, Météo-France

20 Tailles de grain et surface spécifique. Relation entre taille et surface spécifique. 1) Si tous les grains sont des sphères sans contact: SSA= 3 ice r r A FAIRE: Calculer la SSA pour un cube de coté 2a, et un cylindre de diametre et hauteur 2a. 2) Pour la neige, les grains ne sont pas sphériques, la SSA est liée au rayon optique effectif. 3 SSA= ρice r eff SSA= 120 m2/kg SSA= 20 m2/kg SSA= 8 m2/kg

21 Tailles de grain et surface spécifique. Les méthodes de mesure de la SSA. Par adsorption méthane à 77 K. La mesure donne la surface de l'échantillon. On mesure la masse avec une balance

22 Tailles de grain et surface spécifique. Par stéréologie sur photo en episcopie. Par tomographie rayon X et calcule géométrique de surface et volume (CEN, Météo-France) Ces méthodes géométriques permettent aussi un calcul de la densité,...

23 (La tomographie rayon X) Slide réalisée par F. Flin (CEN) Prélèvement Imprégnation avec du 1-chloronaphtalène (solide pour T <= -20 C) - figer la métamorphose - consolider l échantillon 5.35 cm Conservation à 20 C Regel : bain iso-octane + neige carbonique (-80 C)

24 (La tomographie rayon X) Slide réalisée par F. Flin (CEN) 1.6 cm But : obtention de petits cylindres 10 cm

25 (La tomographie rayon X) Slide réalisée à partir de travaux de F. Flin (CEN) Paramètres tomo : Spot : small (7-20 microns) Résolution : 10 microns Tension = 75 kv Courant = 100 microa Temps d acquisition = 2h

26 Tailles de grain et surface spécifique. Par méthode optique. 1) Le principe. Spectre de reflectance Visible P IR Visible: sensible aux impuretés (suie, poussière) Proche infrarouge: sensible au rayon optique effectif, i.e. la SSA

27 Tailles de grain et surface spécifique. 2) Les instruments. Photographie infrarouge (850 nm)

28 Tailles de grain et surface spécifique. 2) Les instruments. Photographie infrarouge (850 nm)

29 Tailles de grain et surface spécifique. 2) Les instruments. DUFISSS (1310 nm et 1550 nm)

30 Tailles de grain et surface spécifique. 2) Les instruments. POSSSUM (1310 nm, 635 nm)

31 Tailles de grain et surface spécifique. 2) Les instruments. Comparaison DUFISSS, POSSSUM, CH4 et Tomo Glacier de la Girose Neige saisonière sur glacier

32 Tailles de grain et surface spécifique. Exemple d'évolution de la surface spécifique Antarctique Dome C Calotte de Barnes Terre de Baffin Q: Pour la surface spécifique diminue en profondeur?

33 Tailles de grain et surface spécifique. Evolution de la surface spécifique lors du métamorphisme (étude en laboratoire) On voit que: la SSA diminue avec le temps (les grains grossissent). Cette diminution est plus rapide avec du métamorphisme de gradient que du métamorphisme isotherme. Cette diminution est d'autant plus rapide que la température est élevée.

34 Tailles de grain et surface spécifique. Evolution de la surface spécifique lors du métamorphisme Manteau neigeux saisonnier: (Taiga, Alaska) La vitesse de diminution de SSA dépend du gradient de température

35 Tailles de grain et surface spécifique. Evolution de la surface spécifique prédit par Crocus au Col de Porte Crocus Observation Crédit: S. Morin (CEN)

36 Les propriétés thermiques de la neige Quelles sont les propriétés thermiques d'un matériau?

37 Conductivité thermique et diffusivité. La neige est un isolant thermique. L T0 Matériau X T1 Flux de chaleur j (J.s-1.m-2 = W.m-2) Et de façon plus générale: j= k T T z T 1 T 0 j= k T L Conductivité thermique (W.m-1K-1) T j= k T grad L kt = C p Matériau X T Diffusivité (m2.s-1) T t t La diffusivité mesure le temps de propagation d'une variations de température.

38 Conductivité thermique et diffusivité. La neige est un isolant qui possède une grande inertie thermique. Matériau kt Wm-1K-1 Air Bois Eau 0.6 Verre 1.1 Calcaire 0.5 Glace 2.3 Acier inox 15 Aluminium 237 Cuivre 401 Diamant 1000 Laine de verre 0.04 Neige ~ 0.03 à 0.5 Diffusivité m2.s (à 250K) à

39 Conductivité thermique et diffusivité. Mesure de la conductivité: aiguille chauffée. Hukseflux TP02

40 Conductivité thermique et diffusivité. Mesure de la conductivité: aiguille chauffée Régime transitoire. 2. Régime permanent. 3. Après l'arrêt du chauffage 2 T= 1 keff=0.24 Q ln t2 /t1 4 kt

41 Conductivité thermique et diffusivité. La gamme de valeur de conductivié. Neige fraiche Wm-1K-1 Décomposés Wm-1K-1 Croûte regel Wm-1K-1 Grains fins, ET Wm-1K-1 Facettés 0.08 Wm-1K-1 Gobelets Croute vent Wm-1K Wm K

42 Conductivité thermique et diffusivité. Tentative de lien entre la conductivité thermique et la densité

43 Conductivité thermique et diffusivité. Transport de l'énergie thermique dans la neige. 1. Conductivité par le réseau de glace (2.3 W.m-1.K-1) 2. Conductivité par l'air (0.023 W.m-1.K-1) 3. Conduction par évaporation, transport de vapeur et condensation (latent). 4. Convection. 5. Advection = conductivité effective. Note: Les aiguilles chauffées mesure la conductivité effective. klatent Convection latent Convection K=0.10 W.m-1.K-1 K=0.30 W.m-1.K-1

44 Conductivité thermique et diffusivité. Modélisation fondamentale de la conductivité à partir de la micro-structure de la neige. Objectif: expliquer les variations de conductivité en fonction des autres propriétés. Travaux en cours au CEN F. Flin, N.

45 Conductivité thermique et diffusivité. Evolution de la conductivité: acteur et spectateur du métamorphisme.

46 Conductivité thermique et diffusivité. Evolution de la conductivité: acteur et spectateur du métamorphisme. Tendance à la croissance due au métamorphisme

47 Conductivité thermique et diffusivité. Le profil de température dans la neige est déterminé par l'équation de diffusion (si on néglige la convection et l'advection). Equation de diffusion Condition aux limites typiques: 2 T T = 2 t z T F= k T z surface Deux exemples typiques: le régime stationnaire et le forcage sinusoidale

48 Conductivité thermique et diffusivité. Le profil de température en régime stationnaire (équilibre) 2 T 0= 2 z Equation de diffusion devient: la solution pour un manteau homogène est linéaire T(z) Air à -20 C z Sol à Ts=-2 C

49 Conductivité thermique et diffusivité. Exemple de régime stationnaire: Profil quasi-linéaire, gradient de 100 C/m

50 Conductivité thermique et diffusivité. Exemple de régime stationnaire: 2 Alpes en 2007 Régime stationnaire dès ~50cm sous la surface. Gradient: 3 C/m

51 Conductivité thermique et diffusivité. Le profil de température dans la neige en régime sinusoïdale: application aux variations journalière et aux variations annuelles pour la neige pérenne. 2 T T = 2 t z T surface = A cos 2 T z,t = A exp Solution: t T moy T z t z cos 2 T moy l T l A midi La nuit z température

52 Conductivité thermique et diffusivité. Exemple: Observations en Antarctique à Dome C z L'hiver L'été Note: la dissymétrie s'explique très bien par la présence d'une onde semi-annuelle marquée en Antarctique.

53 Conductivité thermique et diffusivité. Combinaison du cycle journalier et du régime stationnaire: 2 Alpes en 2007 La linéarité de l'équation de diffusion permet de combiner simplement les diverses solutions selon le forçage.

54 Conductivité thermique et diffusivité. Modèle complet thermique: - bilan de surface d'énergie. - diffusion thermique. (- métamorphisme.) Exemple d'évolution de la température de surface à Dome C, Antarctique. Brun et al. 2011

55 Conductivité thermique et diffusivité. Autre exemple: calcul avec CROCUS sur le glacier d'argentière (S. Morin, CEN).

56 Perméabilité v P+δP P Loi de Darcy K P v= η x K : permeabilité (m2) v : vitesse d écoulement η : viscosité vent P+δP P Advection d air dans la neige

57 Perméabilité Principe de mesure habituel Pompe P K P v= η x Flux de gaz Mesure P Mesure débit Perméabilité K P+δ P

58 Perméabilité Sur le terrain F. Dominé, LGGE

59 Perméabilité Valeurs usuelles

60 Perméabilité Processus physique Kp = m2 K = e Kp = m ρ s D 2 Shimizu, 1970 ρ s = densité D = diamètre des grains

61 Perméabilité Application: vitesse d'écoulement du vent dans la neige P P+δP K P v= η x L P+δP Conséquence: Thermalisation du manteau par le vent. Sublimation par advection d'air sec. Echange de composés chimiques. P Difficulté: calculer δp Réponse par la mécanique des fluides.

62 Teneur en eau liquide. Pourcentage massique ou volumique d'eau liquide dans la neige. Processus d'infiltration: + pratique en volumique. Conservation: + pratique en massique. La TEL intervient dans : Le bilan d'énergie et conservation de matière. L'importance des forces de capilarité. Les régimes et la vitesse du métamorphisme humide. L'écoulement de l'eau dans le milieu. Exemple: TEL critique pour l'écoulement: 12% en masse pour des densités de l ordre de 250 kg.m-3 et 7% pour des densités de l ordre de 500 kg.m-3.

63 Teneur en eau liquide. Evolution de la teneur en eau liquide modélisée par Crocus (Col de Porte)

64 Modélisation physique de la neige... en bref Il existe un grand nombre de modèles de neige, plus ou moins complexe, chacun adapté à un usage. Il existe 3 modèles physiques mécanistes (grande complexité, mais avec le moins d'approximation possible et plutôt généraliste). Crocus, CEN, Météo-France (~1989) Sntherm, CRELL, Hanover, USA (~1991) Snowpack, SLF, Davos, Suisse (~1998) Prévision d'avalanche (Crocus et Snowpack) Hydrologie et Météo polaire (Sntherm) Météo de surface T2m, Q2m, V2m Swd,LWd, Precip,phase Modèle de neige Profil: température, taille et forme de grain, densité TEL, paramètre méca. Flux de surface,... m

65 Modélisation physique de la neige. Schéma de principe général et partiel (méca...) Bilan d'énergie en surface Albedo Diffusion thermique + chgt état + diffusion vapeur Météo de surface Conductivité thermique Métamorphisme Densification T(z) TEL(z) Transport de l'eau a,forme, (z) porosité Etat du manteau Bilan de masse en surface H

66 Modélisation physique de la neige. 1 exemple parmi tant d'autres: application de CROCUS, Snowpack et Sntherm à SIRENE (site expérimental à Sherbrook, Quebec). Application hydrologique.

67 Modélisation physique de la neige. Suivi de la hauteur équivalente en eau (Snow Water Equivalent). Definition: Hauteur si la neige devenait liquide.

68 Modélisation physique de la neige. Hauteur relative Densité:

69 Modélisation physique de la neige. Teneur en eau liquide:

70 Suite Neige & Climat; Climat & Neige

71 Neige et Glace M2 Cours n 2 Propriétés physiques de la neige: mesure et modélisation. Ghislain Picard Laboratoire de Glaciologie et Géophysique de l'environnement

72 Introduction Le premier cours présente la neige et le métamorphisme d'un point de vue qualitatif. On aborde ici un point de vue quantitatif. Quelles sont les propriétés physiques importantes de la neige? Comment les mesure-t-on? Comment les modélise-t-on? Les propriétés physiques: Densité. Taille de grain et surface spécifique. Conductivité thermique et le profil de température. Perméabilité. Teneur en eau. Albédo et absorption d'énergie radiative (cf cours climat)....

73 Densité, masse volumique, volume fractionnel et porosité. Variable physique la plus facile à mesurer, elle évolue pendant le métamorphisme. Usage universel et tentatives de corréler les autres variables à la densité. Masse volumique (density en Anglais): Densité (peu usité): Volume fractionnel: =m / V d= / eau f= / ice =1-f Porosité: Dans la suite, on parlera de densité pour dire masse volumique. Unité: kg/m3 on voit encore (trop) souvent: g/cm3 La densité de la glace pur est de 917 kg/m3 ou 0.97 g/cm3 quand elle est pure.

74 Densité, masse volumique, volume fractionnel et porosité. Parenthèse. La densité de la glace est un peu moindre si elle contient de l'air comme dans les carottes de glace (~912 kg/m3) et encore moins (<900 kg/m3) dans certains cas de formation particulière ->

75 Densité. Se mesure facilement... a priori. On prélève un volume connu et on pèse avec une balance ou un dynamomètre. En pratique, difficile d'obtenir une bonne précision sur le volume.

76 Densité. Autres techniques: mesure sur carotte, tomography Rayon-X, stereologie,...

77 Densité. Variable Neige fraiche Cristaux décomposés Grains fins, ET Grains fins, croûte vent Cristaux facettés Givre de profondeur Croûte de regel metamorphisme Densité, kg m Surface spécifique, m2 kg Pénétration lumière, cm Permeabilité, m Conductivité thermique, W m-1 K-1 Neige fraiche 0.01 à 0.20 Décomposés 0.06 à 0.25 Grains fins, ET 0.15 à 0.35 Croute vent 0.30 à 0.60 Facettés 0.13 à 0.30 Gobelets 0.15 à 0.30 Croûte regel

78 Densité. Profil d'un manteau Antarctique (Dome C). Mesure sur carotte de neige La densité croît avec la profondeur mais de nombreuses variations sont présentes en surface (0-5m).

79 Densité. Profil d'un manteau de taïga particulier (congère) Remarques: la densité ne croît pas de façon uniforme. Dans les manteaux arctiques, la densité peut être faible au fond (givre de profondeur)

80 Densité. On observe généralement une densification des couches au cours du temps. Quel(s) processus peuvent expliquer cette évolution?

81 Densité. 4 processus physiques de densification sans échange de matière Glissement, neige fraiche Métamorphisme destructif Glissement, neige âgée

82 Densité. 4 processus physiques de densification sans échange de matière: Charge Charge Applatissement des grains? Fluage Généralisé ou localisé? Pression locale modérée, le fluage s'arrète. Pression locale très élevée. La densité peut aussi évoluer par échanges de matière: Sublimation Vent et comblement des interstices Apport d'eau liquide

83 Densité. Exemple de modélisation de la densification (modèle SNTHERM): ϵ = σ η Deformation = - contrainte / viscosité Dans le cas de la neige, on doit peut considérer la contrainte lié à la charge + une contrainte liée au métamorphisme ou initiale. ϵ = σs+ σo η Cette astuce permet de rendre compte de la densification des couches superficielles qui ne subissent aucune charge

84 Densité. Exemple de calcul avec le modèle CROCUS au Col de Porte et observations Crédit: S. Morin (CEN)

85 Densité. Exemple de calcul avec le modèle CROCUS au Col de Porte (manteau alpin) et à Sodankula, Finland (manteau Arctique) Crédit: S. Morin (CEN)

86 Tailles de grain et surface spécifique. Un vaste sujet. On distingue facilement des petits et des gros grains dans les manteaux peu transformés. Mais deux complications quand on veut vraiment quantifier: qu'est-ce qu'un grain? comment définir la taille d'un objet de forme complexe, avec potentiellement des parties concaves? En supposant qu'on puisse identifier des grains, différentes métriques existent: Taille d'extension maximale (De) Tailles de l'ellipse qui entourent le grain en 2 dimensions. Rayon convexe moyen. Mais il existe aussi des notions applicables pour des milieux poreux non granulaires: Surface spécifique ou rayon optique. Longueur de corrélation.

87 Tailles de grain et surface spécifique. Pour les grains fins bien ronds, peu cohésifs, le modèle sphérique est une bonne approximation: taille = rayon = rayon moyen = rayon max =...

88 Tailles de grain et surface spécifique. Ellipse sur une photo 2D: petit-axe, grand-axe et rayon équivalent (S/P)

89 Tailles de grain et surface spécifique. Surface spécifique: surface de l'interface air/neige par unité de masse. SSA= SSA: specific surface area S S = M ice V Unité: m2/kg Remarque: Si on préfère une interprétation géométrique, on peut utiliser S/V, unité: m -1 S'applique quelque soit la forme des grains et même plus généralement sur tout milieu poreux même non granulaire. Tomographie Rayon X, CEN, Météo-France

90 Tailles de grain et surface spécifique. Relation entre taille et surface spécifique. 1) Si tous les grains sont des sphères sans contact: SSA= 3 ice r r A FAIRE: Calculer la SSA pour un cube de coté 2a, et un cylindre de diametre et hauteur 2a. 2) Pour la neige, les grains ne sont pas sphériques, la SSA est liée au rayon optique effectif. 3 SSA= ρice r eff SSA= 120 m2/kg SSA= 20 m2/kg SSA= 8 m2/kg

91 Tailles de grain et surface spécifique. Les méthodes de mesure de la SSA. Par adsorption méthane à 77 K. La mesure donne la surface de l'échantillon. On mesure la masse avec une balance

92 Tailles de grain et surface spécifique. Par stéréologie sur photo en episcopie. Par tomographie rayon X et calcule géométrique de surface et volume (CEN, Météo-France) Ces méthodes géométriques permettent aussi un calcul de la densité,...

93 (La tomographie rayon X) Slide réalisée par F. Flin (CEN) Prélèvement Imprégnation avec du 1-chloronaphtalène (solide pour T <= -20 C) - figer la métamorphose - consolider l échantillon 5.35 cm Conservation à 20 C Regel : bain iso-octane + neige carbonique (-80 C)

94 (La tomographie rayon X) Slide réalisée par F. Flin (CEN) 1.6 cm But : obtention de petits cylindres 10 cm

95 (La tomographie rayon X) Slide réalisée à partir de travaux de F. Flin (CEN) Paramètres tomo : Spot : small (7-20 microns) Résolution : 10 microns Tension = 75 kv Courant = 100 microa Temps d acquisition = 2h

96 Tailles de grain et surface spécifique. Par méthode optique. 1) Le principe. Spectre de reflectance Visible P IR Visible: sensible aux impuretés (suie, poussière) Proche infrarouge: sensible au rayon optique effectif, i.e. la SSA

97 Tailles de grain et surface spécifique. 2) Les instruments. Photographie infrarouge (850 nm)

98 Tailles de grain et surface spécifique. 2) Les instruments. Photographie infrarouge (850 nm)

99 Tailles de grain et surface spécifique. 2) Les instruments. DUFISSS (1310 nm et 1550 nm)

100 Tailles de grain et surface spécifique. 2) Les instruments. POSSSUM (1310 nm, 635 nm)

101 Tailles de grain et surface spécifique. 2) Les instruments. Comparaison DUFISSS, POSSSUM, CH4 et Tomo Glacier de la Girose Neige saisonière sur glacier

102 Tailles de grain et surface spécifique. Exemple d'évolution de la surface spécifique Antarctique Dome C Calotte de Barnes Terre de Baffin Q: Pour la surface spécifique diminue en profondeur?

103 Tailles de grain et surface spécifique. Evolution de la surface spécifique lors du métamorphisme (étude en laboratoire) On voit que: la SSA diminue avec le temps (les grains grossissent). Cette diminution est plus rapide avec du métamorphisme de gradient que du métamorphisme isotherme. Cette diminution est d'autant plus rapide que la température est élevée.

104 Tailles de grain et surface spécifique. Evolution de la surface spécifique lors du métamorphisme Manteau neigeux saisonnier: (Taiga, Alaska) La vitesse de diminution de SSA dépend du gradient de température

105 Tailles de grain et surface spécifique. Evolution de la surface spécifique prédit par Crocus au Col de Porte Crocus Observation Crédit: S. Morin (CEN)

106 Les propriétés thermiques de la neige Quelles sont les propriétés thermiques d'un matériau?

107 Conductivité thermique et diffusivité. La neige est un isolant thermique. L T0 Matériau X T1 Flux de chaleur j (J.s-1.m-2 = W.m-2) Et de façon plus générale: j= k T T z j= k T T 1 T 0 L Conductivité thermique (W.m-1K-1) T j= k T grad L Matériau X T = Diffusivité (m2.s-1) T t kt C p t La diffusivité mesure le temps de propagation d'une variations de température.

108 Conductivité thermique et diffusivité. La neige est un isolant qui possède une grande inertie thermique. Matériau kt Wm-1K-1 Air Bois Eau 0.6 Verre 1.1 Calcaire 0.5 Glace 2.3 Acier inox 15 Aluminium 237 Cuivre 401 Diamant 1000 Laine de verre 0.04 Neige ~ 0.03 à 0.5 Diffusivité m2.s (à 250K) à

109 Conductivité thermique et diffusivité. Mesure de la conductivité: aiguille chauffée. Hukseflux TP02

110 Conductivité thermique et diffusivité. Mesure de la conductivité: aiguille chauffée Régime transitoire. 2. Régime permanent. 3. Après l'arrêt du chauffage 2 T= 1 keff=0.24 Q ln t2 /t1 4 kt

111 Conductivité thermique et diffusivité. La gamme de valeur de conductivié. Neige fraiche Wm-1K-1 Décomposés Wm-1K-1 Croûte regel Wm-1K-1 Grains fins, ET Wm-1K-1 Facettés 0.08 Wm-1K-1 Gobelets Croute vent Wm-1K Wm-1K-1

112 Conductivité thermique et diffusivité. Tentative de lien entre la conductivité thermique et la densité

113 Conductivité thermique et diffusivité. Transport de l'énergie thermique dans la neige. 1. Conductivité par le réseau de glace (2.3 W.m-1.K-1) 2. Conductivité par l'air (0.023 W.m-1.K-1) 3. Conduction par évaporation, transport de vapeur et condensation (latent). 4. Convection. 5. Advection = conductivité effective. Note: Les aiguilles chauffées mesure la conductivité effective. klatent Convection latent Convection K=0.10 W.m-1.K-1 K=0.30 W.m-1.K-1

114 Conductivité thermique et diffusivité. Modélisation fondamentale de la conductivité à partir de la micro-structure de la neige. Objectif: expliquer les variations de conductivité en fonction des autres propriétés. Travaux en cours au CEN F. Flin, N.

115 Conductivité thermique et diffusivité. Evolution de la conductivité: acteur et spectateur du métamorphisme.

116 Conductivité thermique et diffusivité. Evolution de la conductivité: acteur et spectateur du métamorphisme. Tendance à la croissance due au métamorphisme

117 Conductivité thermique et diffusivité. Le profil de température dans la neige est déterminé par l'équation de diffusion (si on néglige la convection et l'advection). Equation de diffusion Condition aux limites typiques: 2 T T = 2 t z T F= k T z surface Deux exemples typiques: le régime stationnaire et le forcage sinusoidale

118 Conductivité thermique et diffusivité. Le profil de température en régime stationnaire (équilibre) Equation de diffusion devient: 0= 2 T z2 la solution pour un manteau homogène est linéaire T(z) Air à -20 C z Sol à Ts=-2 C

119 Conductivité thermique et diffusivité. Exemple de régime stationnaire: Profil quasi-linéaire, gradient de 100 C/m

120 Conductivité thermique et diffusivité. Exemple de régime stationnaire: 2 Alpes en 2007 Régime stationnaire dès ~50cm sous la surface. Gradient: 3 C/m

121 Conductivité thermique et diffusivité. Le profil de température dans la neige en régime sinusoïdale: application aux variations journalière et aux variations annuelles pour la neige pérenne. 2 T T = 2 t z T surface =A cos 2 T z,t =A exp Solution: t T moy T z t z cos 2 T moy l T l A midi La nuit z température

122 Conductivité thermique et diffusivité. Exemple: Observations en Antarctique à Dome C z L'hiver L'été Note: la dissymétrie s'explique très bien par la présence d'une onde semi-annuelle marquée en Antarctique.

123 Conductivité thermique et diffusivité. Combinaison du cycle journalier et du régime stationnaire: 2 Alpes en 2007 La linéarité de l'équation de diffusion permet de combiner simplement les diverses solutions selon le forçage.

124 Conductivité thermique et diffusivité. Modèle complet thermique: - bilan de surface d'énergie. - diffusion thermique. (- métamorphisme.) Exemple d'évolution de la température de surface à Dome C, Antarctique. Brun et al. 2011

125 Conductivité thermique et diffusivité. Autre exemple: calcul avec CROCUS sur le glacier d'argentière (S. Morin, CEN).

126 Perméabilité v P+δP P Loi de Darcy v= K P η x K : permeabilité (m2) v : vitesse d écoulement η : viscosité vent P+δP P Advection d air dans la neige

127 Perméabilité Principe de mesure habituel Pompe P v= Flux de gaz K P η x Mesure P Mesure débit Perméabilité K P+δ P

128 Perméabilité Sur le terrain F. Dominé, LGGE

129 Perméabilité Valeurs usuelles

130 Perméabilité Processus physique Kp = m2 Kp = m2 K = e ρ s D 2 Shimizu, 1970 ρ s = densité D = diamètre des grains

131 Perméabilité Application: vitesse d'écoulement du vent dans la neige P P+δP v= K P η x L P+δP Conséquence: Thermalisation du manteau par le vent. Sublimation par advection d'air sec. Echange de composés chimiques. P Difficulté: calculer δp Réponse par la mécanique des fluides.

132 Teneur en eau liquide. Pourcentage massique ou volumique d'eau liquide dans la neige. Processus d'infiltration: + pratique en volumique. Conservation: + pratique en massique. La TEL intervient dans : Le bilan d'énergie et conservation de matière. L'importance des forces de capilarité. Les régimes et la vitesse du métamorphisme humide. L'écoulement de l'eau dans le milieu. Exemple: TEL critique pour l'écoulement: 12% en masse pour des densités de l ordre de 250 kg.m-3 et 7% pour des densités de l ordre de 500 kg.m-3.

133 Teneur en eau liquide. Evolution de la teneur en eau liquide modélisée par Crocus (Col de Porte)

134 Modélisation physique de la neige... en bref Il existe un grand nombre de modèles de neige, plus ou moins complexe, chacun adapté à un usage. Il existe 3 modèles physiques mécanistes (grande complexité, mais avec le moins d'approximation possible et plutôt généraliste). Crocus, CEN, Météo-France (~1989) Sntherm, CRELL, Hanover, USA (~1991) Snowpack, SLF, Davos, Suisse (~1998) Prévision d'avalanche (Crocus et Snowpack) Hydrologie et Météo polaire (Sntherm) Météo de surface T2m, Q2m, V2m Swd,LWd, Precip,phase Modèle de neige Profil: température, taille et forme de grain, densité TEL, paramètre méca. Flux de surface,... m

135 Modélisation physique de la neige. Schéma de principe général et partiel (méca...) Bilan d'énergie en surface Albedo Diffusion thermique + chgt état + diffusion vapeur Météo de surface Conductivité thermique Métamorphisme Densification T(z) TEL(z) Transport de l'eau a,forme, (z) porosité Etat du manteau Bilan de masse en surface H

136 Modélisation physique de la neige. 1 exemple parmi tant d'autres: application de CROCUS, Snowpack et Sntherm à SIRENE (site expérimental à Sherbrook, Quebec). Application hydrologique.

137 Modélisation physique de la neige. Suivi de la hauteur équivalente en eau (Snow Water Equivalent). Definition: Hauteur si la neige devenait liquide.

138 Modélisation physique de la neige. Hauteur relative Densité:

139 Modélisation physique de la neige. Teneur en eau liquide:

140 Suite Neige & Climat; Climat & Neige