Neige et Glace Master 2. Préambule Neige. Ghislain Picard Laboratoire de Glaciologie et Géophysique de l'environnement

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1 Neige et Glace Master 2 Préambule Neige Ghislain Picard Laboratoire de Glaciologie et Géophysique de l'environnement

2 Introduction Point de vue géographique: la neige, loin d'un phénomène isolé. Février Hémisphère nord: Continents km² Converture neigeuse continentale, février km2 Août il ne s'agit ici que des terres émergées!

3 Introduction On peut distinguer: - neige saisonnière continentale (~ km2). - neige permanente (névé) sur les calottes et les glaciers (~ km2). - neige sur la glace de mer (banquise) (~ km2)

4 Introduction Point de vue climat et biogéophysique: - acteur et spectateur du climat (interaction) rôle fondamental sur le bilan énergétique de l'atmosphère. rôle thermique sur le sol et la banquise. réacteur chimique et photochimique. - archive environnementale. - écologie et écophysiologie. - matériau / mécanique Point de vue anthropique: - ressource en eau. - risque: avalanche, sécurité routière,... - tourisme.

5 Plan des 4 cours neige Cours 1. Neige: formation, précipitation, métamorphisme et fonte. - formation & précipitation. - métamorphisme. - approche naturaliste. - phénonèmes physiques gouvernant le métamorphisme. - (fonte). - stratigraphie et classification des manteaux neigeux. Cours 2. Propriétés physiques de la neige, mesures et modélisation. - densité, taille de grains, conductivité thermique; température, albédo, perméabilité, humidité. - modélisation physique de la neige. Cours 3. Neige & climat. - climat neige: précipitation à l'échelle globale, influence de la température, bilan d'énergie de surface. - neige climat: rétroaction de l'albédo, isolation thermique. Cours 4. Visite du centre expérimental du Centre Etude de la Neige (Col de Porte). Note: ce cours s'appuie sur le cours des années passées par F. Dominé, LGGE

6 Plan des 4 cours neige Il manque certaines thématiques pourtant abordées à l'osug: - Chimie de la neige (LGGE). - Avalanches et structures (Cemagref, CEN). - Aspects biologique et écologique (LEICA).

7 Neige et Glace Master 2 Cours Neige 1 Neige: formation, précipitation, métamorphisme et fonte. Ghislain Picard Laboratoire de Glaciologie et Géophysique de l'environnement

8 Formation des cristaux de neige dans l'atmosphère Quelques images: Dendritique Source:

9 Formation des cristaux de neige dans l'atmosphère Quelques images: Plaquette Source:

10 Formation des cristaux de neige dans l'atmosphère Quelques images: Colonne creuse Source:

11 Formation des cristaux de neige dans l'atmosphère Quelques images: Colonne avec chapeau Source:

12 Formation des cristaux de neige dans l'atmosphère Classification Internationale et symbols: Qu'est-ce qui explique cette diversité et quelles sont les conditions de formation?

13 Formation des cristaux de neige dans l'atmosphère La recette de formation de la neige: NUAGE - de la vapeur en supersaturation. - un noyau de condensation. - de l'eau surfondue. - de la croissance cristalline. - de la coalescence ou du givrage. Q: Que savez-vous en gros? Parfaitement? Petit retour sur la physique des changements d'état...

14 Formation des cristaux de neige dans l'atmosphère Rappel sur les changements d'état de l'eau: Eau liquide Condensation Evaporation (liquide) 2260 kj/kg Vapeur d'eau (gaz invisible) Solidification 333 kj/kg Fusion Condensation (solide) Glace Sublimation Q: Que vaut la chaleur latente de sublimation? Pression de vapeur saturante: La pression (partielle) de la vapeur à l'équilibre p est la pression de vapeur saturante et ne dépend que de la température. Vapeur d'eau Eau Si par un moyen ou un autre: - on réduit la pression dans la boite, une partie de l'eau s'évapore. - on augmente la pression, une partie de la vapeur se condense. Q: Est-ce instantanné?

15 Formation des cristaux de neige dans l'atmosphère La pression de vapeur saturante varie uniquement en fonction de la température. Elle est gouvernée en première approximation par la relation de Clapeyron: Pour l'eau, par exemple : M = 0,018 kg/mol Lv = 2, J/kg p0 = 1013 mbar T0 = 273 K! approximatif!

16 Formation des cristaux de neige dans l'atmosphère Clapeyron: suppose que la chaleur latente est indépendante de la temperature Pour l'eau, par exemple : M = 0,018 kg/mol Lv = 2, J/kg p0 = 1013 mbar T0 = 273 K Formule d'antoine: Goff Gratch (valid T<0C) Voir ici: A FAIRE: tracer les courbes (langage/logiciel au choix) pour 3 équations différentes (au choix) et estimer la différence maximale dans la gamme [-50oC,0oC].

17 Formation des cristaux de neige dans l'atmosphère Cependant, dans l'atmosphère, on est souvent hors équilibre (supersaturation). Dans l'air très pur, la sursaturation peut atteindre 400% sans condensation liquide ou solide. Les noyaux de condensation aident à la formation des gouttes d'eau ou germes de glace, Dans l'atmosphère normale la sursaturation est maintenue faible par les noyaux de condensation. Vapeur en sursaturation Vapeur en sursaturation Réévaporation spontannée car rayon trop petit Noyau de condensation (poussière / aérosol) 0. Eau surfondue T=0C C 1. Condensation liquide sur l'aérosol Vapeur en sursaturation Glace 1bis. Congélation (solidification) Glace Eau surfondue 2. Condensation sur la glace et évaporation de l'eau surfondue

18 Formation des cristaux de neige dans l'atmosphère Ce phénomène est dù à la différence de pression partielle de l'eau et de la glace. 2) Vapor pressure over ice Goff Gratch equation Vapeur d'eau (Smithsonian Tables, 1984): Log10 ei = (273.16/T - 1) [12] Log10(273.16/ T) (1 - T/ ) Glace + Log10(6.1071) with T in [K] and ei in [hpa] Psat(surGLACE) < Psat(surEAU) 1) Vapor pressure over liquid water below 0 C Goff Gratch equation (Smithsonian Tables, 1984, after Goff and Gratch, 1946): Log10 ew = (373.16/T-1) Log10(373.16/T) [1] Vapeur d'eau ( (1-T/373.16) -1) ( (373.16/T-1) -1) + Log10( ) with T in [K] and ew in [hpa] Eau surfondue A FAIRE: Tracer ces deux courbes dans l'intervalle -50oC à 0oC. Comment varie la différence?

19 Formation des cristaux de neige dans l'atmosphère Q: Que se passe-t-il dans ce cas? Q: Est-ce spontanné? Vapeur d'eau Glace Eau surfondu e Rappel: Psat(surGLACE) < Psat(surEAU)

20 Formation des cristaux de neige dans l'atmosphère Ce phénomène est dù à la différence de pression partielle au dessus de l'eau et de la glace.

21 Formation des cristaux de neige dans l'atmosphère Comment la vapeur se condense sur le germe? Vapeur en sursaturation? Glace Petit retour sur la cristallographie.

22 Formation des cristaux de neige dans l'atmosphère Dans la glace naturelle (glace Ih) les atomes d'oxygène sont organisés en réseau héxagonal La forme à l'échelle macroscopique dépend de la face cristalline dont la croissance est favorisée

23 Formation des cristaux de neige dans l'atmosphère Face prismatique : plaquettes, étoiles, dendrites

24 Formation des cristaux de neige dans l'atmosphère Face basale : colonnes, aiguilles

25 Formation des cristaux de neige dans l'atmosphère La forme des cristaux dépend de la température... Colonnes ou aiguilles Plaquettes O C -4 C Cristaux dendritiques -8 C Balles de fusil -24 C

26 Formation des cristaux de neige dans l'atmosphère... et elle dépend de la sursaturation de l'atmosphère et en particulier de la présence d'eau surfondue (différence des pressions partielles entre glace et eau)

27 Formation des cristaux de neige dans l'atmosphère La recette de formation de la neige: NUAGE - de la vapeur en supersaturation. - un noyau de condensation. - de l'eau surfondue. - de la croissance cristalline. - de la coalescence ou du givrage. Q: Que savez-vous en gros? Parfaitement?

28 Formation des cristaux de neige dans l'atmosphère Le givrage de gouttelettes d'eau surfondue sur les flocons

29 Formation des cristaux de neige dans l'atmosphère la coalescence entre flocons

30 Formation des cristaux de neige dans l'atmosphère Dans le nuage, les particules ont des vitesses qui dépendent de leur taille, de leur forme et des courants ascendants. Les petites particules vont vite et remontent facilement dans les courants ascendants. Les moyennes vont lentement, interceptent les petites et remontent dans les courants ascendants. Les grosses tombent. Il pleut ou il neige en fonction de la température dans l'atmosphère jusqu'au sol.

31 Plan des 3 cours neige Cours 1. Neige: formation, précipitation, métamorphisme et fonte. - formation& précipitation. - métamorphisme. - approche naturaliste. - phénonème physique gouvernant le métamorphisme. - fonte. - stratigraphie et classification des manteaux neigeux.

32 Métamorphisme Un manteau de neige alpin est constitué de couches relativement homogènes en terme de forme des grains, taille des grains, densité, etc.

33 Métamorphisme Small rounded grains Clustered melt crystals Ice layer Photos Florent Dominé, LGGE

34 Métamorphisme

35 Métamorphisme L'évolution des grains dans le temps et les différents métamorphismes: Effet du vent Métamorphisme de neige sèche (isotherme et fort gradient). Métamorphisme de neige humide. Tous les métamorphismes modifient non seulement la forme des grains, mais aussi: la taille des grains (important pour les propriétés optiques). la cohésion (important en prévision avalanche). la densité....

36 Métamorphisme Effet du vent: densification, augmentation de la cohésion, petits grains. Effet mécanique Ventillation sublimation

37 Métamorphisme Effet du vent Toundra arctique

38 Métamorphisme Effet du vent Lac gelé, Nunavik, Québec

39 Métamorphisme Effet du vent Formation de sastrugi Erosion de sastrugi

40 Métamorphisme Effet du vent Les quelques sastrugi de Dome C, Antarctique.

41 Métamorphisme Effet du vent. Plateau Antarctique

42 Métamorphisme Effet du vent. Banquise.

43 Métamorphisme Effet du vent. Banquise.

44 Métamorphisme Effet du vent. Megadune

45 Métamorphisme Dos de baleine en Antarctique. Effet du vent???

46 Métamorphisme Métamorphisme de neige sèche. Grain fin Particule reconnaissable Grain anguleux Givre de profondeur Gobelet

47 Métamorphisme Métamorphisme de neige sèche. Grain fin Métamorphisme isotherme Particule reconnaissable Métamorphisme de gradient (thermique) Grain anguleux Givre de profondeur Gobelet

48 Métamorphisme Métamorphisme de neige sèche. Les gobelets peuvent se former en chainettes, avec des canaux de transport de vapeur parfaitement visibles. Le manteau devient anisotrope.

49 Métamorphisme Métamorphisme de neige humide Grain grossier

50 Métamorphisme Les phénomènes physiques qui gouvernent le métamorphisme: Action mécanique, frittage, saltation. Transport spontanné de vapeur, diffusion, convection, effet Kelvin, tension superficielle. Transport forcé de vapeur. Percolation d'eau liquide, capilarité. Q: Que connaissez-vous de ces phénomènes physiques?

51 Métamorphisme Diffusion de la vapeur (rappels, généralités). Forte humidité Gradient de vapeur Faible humidité Sens de diffusion de la vapeur d'eau Pvap > Psat Pvap < Psat Evaporation Condensation -> cristallisation

52 Métamorphisme Effet Kelvin. La tension superficielle modifie la pression de vapeur saturante: Psat=f(T) Psat > Psat(infini) Plat infini Evaporation de plus en plus facile Variations dues au rayon. Amplitude très exagérée Psat >> Psat(infini)

53 Métamorphisme Application à la neige en absence de gradient de vapeur imposé (vent calme, manteau isotherme) Pression vapeur homogène et proche de la saturation Psat > Pmoy Psat > Pmoy Psat < Pmoy Psat > Pmoy Grossissement des plus gros grains au détriment des petits: changement de la distribution de taille

54 Métamorphisme Le même phénomène se produit intra-grain non sphérique, en remplacant le rayon par le rayon local de courbure. 200 µm rc = 10 µm PH2O= Pa rc = 1000 µm PH2O= Pa PH2O gradient= 0.15 Pa/cm évolution T = -15 C

55 Métamorphisme Le même phénomène explique le frittage Grain sphérique en équilibre. Faible cohésion Action mécanique externe qui rapproche les grains: densification, passage d'un ski, marque à la main, vent,... Frittage par effet Kelvin

56 Métamorphisme Métamorphisme de neige sèche. Grain fin Métamorphisme isotherme Grossissement des grains Arrondissement des grains Frittage Particule reconnaissable Métamorphisme de gradient (thermique) Grain anguleux Givre de profondeur Gobelet

57 Métamorphisme Gradient de vapeur dù à un gradient de température. Atmosphère T= -22 C PH2O = 84 Pa PH2O gradient = 4 Pa/cm En Gradient Moyen 1m Forte diffusion de vapeur T= -15 C PH2O = 163 Pa En Gradient Fort Condensation cristallisation T= -3 C PH2O = 470 Pa Evaporation

58 Métamorphisme Gradient de vapeur dù à un gradient de température en surface. Conditions: Refroidissement radiatif de la neige pendant la nuit Atmosphère chaude et humide, brouillard, pas de vent Advection d'humidité

59 Métamorphisme Métamorphisme de neige sèche. Grain fin Métamorphisme isotherme Métamorphisme de gradient (thermique) Particule reconnaissable Grain anguleux Givre de profondeur Gobelet

60 Métamorphisme Métamorphisme humide: Différent mécanisme selon la teneur en eau liquide (exprimé en % de volume ou de masse). Aux faibles teneurs en eau (<8%), on a 2 mécanismes: 1) identique au métamorphisme de neige sèche: essentiellement du transfert de vapeur (rapide car haute température!) 2) capilarité, l'eau occupe les interstices. Fusion Regel A forte teneur en eau, les grains sont entourés d'eau, on a: Effet de courbure, quand la temperature augmente, les petits grains fondent avant les gros (0.1mm fond à C en dessous du point de fusion). Ils fondent donc préférentiellement.

61 En résumé

62 En résumé

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64 En résumé

65 En résumé

66 Exemple de manteau alpin données F. Dominé, LGGE Des particules reconnaissables si une chute recente h, cm 175 Decomposing crystals Grains fins et faces planes essentiellement Small rounded grains Parfois du givre de profondeur dans les 20 cm du bas 0.35 Clustered melt crystals Ice layer

67 Exemple de manteau taiga

68 Exemple de manteau taiga données F. Dominé, LGGE Hauteur typique: 50 cm Fresh snow cm 50 Taiga Decomposing crystal 0.1 Particule reconnaissables, grains fins et faces plane Givre de profondeur sur la moitié basse. Faceted crystal Depth hoar

69 Exemple de manteau toundra

70 Exemple de manteau toundra données F. Dominé, LGGE Hauteur typique: 30 cm Faceted crystal cm 50 Tundra 0.2 Mixed forms 40 Des croûtes de vent très denses Wind crust Givre de profondeur sur la moitié basse Tundra Depth hoar