LA NEIGE AU SOL, LES METAMORPHOSES

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1 LA NIVOLOGIE I Composition de l atmosphère L air atmosphérique est composé d air sec, de vapeur d eau et d impuretés. 90% de la masse atmosphérique se trouve dans les 16 premiers km au dessus du sol. La composition de l air sec est de 78 % de diazote, 21% de dioxygène et 1% de gaz rares. L eau existe dans l atmosphère sous 3 états : Gazeux : vapeur d eau Liquide : nuages, pluies, brouillard Solide : neige grêle A l état vapeur, l eau est invisible et la quantité maximale que l air peut en contenir dépend de la température et de la pression de l air environnant. - A 0 C, 1m3 d air peut contenir 4.83 g de vapeur d eau. - A 20 C, d air peut contenir 17,17 g de vapeur d eau. II Le processus de formation de la neige Dans les nuages, la vapeur d eau se condense sur des particules de quelques microns, les noyaux de congélation, il y a création de cristaux de glace à des températures de 20 C. Lorsque la température diminue la taille du cristal croit jusqu à sa chutte. La forme des cristaux varie selon la température au cours de leur chute d où l importance de l altitude de «l isotherme 0 C» LA NEIGE AU SOL, LES METAMORPHOSES Le manteau neigeux est constitué des chutes de neige successives tout au long de la saison. Il a la forme d un mille feuilles. Chaque couche va évoluer en fonction des conditions météo extérieures : nouvelles chutes de neige, vent, pluie, réchauffement ou refroidissement. Les principaux facteurs de transformation sont d origine : - Mécanique : Le vent, le poids des couches - La température : modification de la géométrie des grains et effet de température.

2 Les principales étapes de cette évolution sont repérées par 6 types de grains + neige fraiche particule reconnaissable grains fins grains à faces planes Λ givre de profondeur gobelets grains ronds I L action mécanique Le changement de forme des étoiles de neige fraiche est provoqué par deux facteurs mécaniques : Le vent et le poids. Le poids des couches supérieures qui a pour conséquences la fragmentation puis la destruction des étoiles qui se transforment en grains fins. Il en résulte un tassement du manteau neigeux. Le damage des pistes est un exemple de compression artificielle de la neige. Le vent agit pendant et après la chute de neige. Si la neige de surface est froide, légère et peu transformée, il dégarnit à certains endroits et accumule à d autres. L efficacité de cette action dépend de la nature des cristaux, les étoiles plus fragiles y seront plus sensibles que les grains de neige roulée. Il en résulte une destruction des cristaux (+) qui se transforment en fragments appelés particules reconnaissables ( ) qui peuvent être réduits à l état de fine s particules appelés grains fins ( ). On observe un tassement de la couche de neige et une augmentation de la masse volumique : (+) 80/100 kg/m 3 ( ) 180 à 200 kg/m 3 ( ) 250 à 350 kg/m 3 Le vent s il est assez fort favorise la cohésion des grains fins de neige par la formation de ponts de glace (frittage) qui sont à l origine des plaques à vent ou des corniches.

3 II Actions thermiques Cette action est commandée par une recherche permanente d un équilibre entre les 3 phases de l eau. Les métamorphoses dans la neige sèche Dans ce type de métamorphose, il va y avoir compétition entre deux phénomènes : la vaporisation d une partie des grains les plus chauds et la condensation de cette vapeur sur les grains les plus froids. Ces deux phénomènes se produisent simultanément et ont des effets antagonistes sur la métamorphose des grains de neige : La courbure des cristaux Si deux surfaces de glace de courbure différente se trouvent à proximité, l une de l autre, la partie convexe est le siège d une sublimation. La vapeur produite se condense sous forme de glace sur la partie concave L enrichissement des grains de neige en vapeur d eau a tendance à arrondir les grains de neige et à faire disparaitre les angles vifs. Le gradient de température, moteur de la transformation Le gradient de température d une couche de neige caractérise la répartition verticale de la température dans la couche de neige. Plus la différence de température entre la base et le sommet de cette couche est important, plus le gradient est élevé. On l exprime en C/m ou en C/cm.

4 L abaissement des températures du «bas» vers le «haut» de la couche de neige a tendance à rendre les grains anguleux. (Effet de gradient). L effet de rayon de courbure et l effet de gradient sont simultanés mais antagonistes, le premier tend à arrondir les cristaux et le second tend à les rendre anguleux. La prépondérance d un effet par rapport à l autre va déterminer le type de grain de neige qui résultera de la métamorphose de la neige sèche.

5 LES METAMORPHOSES DE FAIBLE GRADIENT 0 C/cm G 0.05 C/cm NEIGE SECHE : glace et vapeur Ici, c est l effet de rayon de courbure qui l emporte sur l effet de gradient. La neige récente (+ ) se transforme partiellement ( ) ou totalement en grains fins ( ) Lorsque la température est à peu près constante dans la couche de neige (les variations ne dépassent pas 0.05 C/cm), les étoiles de neige se transforment en grains fins qui s arrondissent (les grains ont des diamètres de l ordre de 0.2 à 0.54 mm). Cette transformation est d autant plus rapide que la température de la couche est proche de 0 C. Conséquences : La cohésion de feutrage disparaît, la neige est plus stable par cohésion de frittage Le tassement se poursuit donc la densité augmente, elle passe de 80kg/m 3 à 250 kg/m 3.

6 LES METAMORPHOSES DE GRADIENT MOYEN 0.05 C/cm G 0.2 C/cm NEIGE SECHE : glace et vapeur Ici, l effet de gradient l emporte sur l effet de rayon de courbure. Si le gradient de température se maintient dans la couche, des différences de température significatives apparaissent entre les grains de neige et activent le processus de sublimation/condensation. Les grains les plus chauds se vaporisent et cette vapeur se dépose sur les grains les plus froids sous forme de givre. La métamorphose dite de gradient «moyen» peut se développer à partir de cristaux de neige récente (+ ) ou de grains fins ( ) mais elle reste limitée.

7 Conséquences Cette évolution conduit à l apparition De faces planes sur les grains : ce sont des grains à facettes ou à angles vifs. La croissance de ces grains à faces planes ( ) reste limitée et leur diamètre n excède pas 1 mm jours avec G = 0.15 Cm 10 jours avec G = 0.15 Cm Cette transformation entraine une perte de cohésion. Ces grains à faces planes constituent une couche fragile La masse volumique d une couche de grains à faces planes varie de 180 à 350 kg/m 3. Remarque : Cette transformation n est pas irréversible, si le gradient de température devient inférieur à 0.05 C/cm les grains à faces planes perdent leur caractère anguleux et se transforment en grains fins.

8 LES METAMORPHOSES DE FORT GRADIENT G 0.2 C/cm NEIGE SECHE : glace et vapeur Ici, l effet de gradient l emporte sur l effet de rayon de courbure Lorsque le gradient de température dépasse 0.2 C/cm le stade grains à faces planes est dépassé et la croissance des cristaux se poursuit par intensification du processus «sublimation/ condensation solide. Les échanges se font alors grains à grains. Sur une même verticale, le grain le plus bas est le plus chaud et le grain le plus haut est le plus froid. La partie supérieure du grain le plus chaud se sublime. La vapeur se condense alors sur la partie inférieure du grain le plus froid du givre se dépose en gradin. Cette transformation est d autant plus rapide que la température dans la couche se situe entre -4 C et -8 C et que la masse volumique est faible (200 kg/m 3 ). Ce processus conduit à l apparition du givre de profondeur ou gobelets (Λ). La masse volumique varie de 180 à 350 kg/m 3.

9 Conséquences L apparition de gobelets ou de givre de profondeur dans une couche entraine un manque de cohésion et une faible résistance au cisaillement. Ces cristaux constituent un très mauvais ancrage et une couche fragile à l origine de nombreux départs d avalanches. La superposition de strates de neige incluant une incluant une couche de gobelets confère au manteau neigeux une structure de plaques qui entraine une instabilité du manteau neigeux. Ces cristaux se forment en général en début d hiver sur des secteurs peu ensoleillés où la couche de neige est peu épaisse ce qui permet l établissement d un gradient de température important. Ce phénomène a lieu alors à la base du manteau neigeux. Il peut aussi avoir lieu dans les couches supérieures si, en cours d hiver les conditions le permettent.

10 LES METAMORPHOSES NEIGE HUMIDE : glace, vapeur et eau liquide La température de la neige est 0 C I L humidification Pour qu il y ait humidification, il faut qu il y ait réchauffement jusqu à 0 C. La phase liquide peut exister pour deux raisons : - fusion de la neige de surface (air doux, soleil) - apport direct d eau sous forme de pluie. L humidité de la couche de neige en contact avec le sol n est pas significative Le manteau neigeux ne fond pas par la base mais par la surface. L eau liquide, quand elle apparait s écoule naturellement dans le sol. II La métamorphose L eau se concentre aux points de contact et dans les parties concaves des grains par capillarité. Ce film d eau à tendance à regeler à ces endroits. La chaleur libérée lors de cette solidification est suffisante pour faire fondre les parties convexes des grains et les plus petits grains. De l eau liquide est donc libérée et permet de continuer le processus. Ainsi les petits grains disparaissent et les plus gros s arrondissent pour donner des grains ronds ( ). Leur taille varie de 0.2 à 2mm. La masse volumique est de l ordre de 350 à 400 kg/m 3. Cette transformation permet la disparition des gobelets et de la neige roulée. C est la dernière transformation avant la fonte totale.

11 LES METAMORPHOSES NEIGE HUMIDE : glace, vapeur et eau liquide La teneur en eau liquide (TEL) est le moteur de la métamorphose de fonte Cette métamorphose est d autant plus rapide que la quantité d eau liquide est importante. Il faut deux fois moins de temps pour obtenir des grains ronds (pour une taille donnée) avec une TEL de 7% en masse qu avec une TEL de 3.7%. Lorsque la teneur en eau liquide est inférieure au seuil de rétention, il y a cohésion par capillarité. Lorsque la teneur en eau liquide est supérieure au seuil de rétention, l eau s écoule vers le bas de la couche. Ce seuil est atteint lorsque l eau liquide représente 10% de la masse de la couche de neige.

12 TEL et cohésion Tant que la TEL reste inférieure au seuil de rétention, les forces de capillarité qui s exercent entre les grains confèrent à l ensemble une bonne cohésion. Dés que la TEL atteint le seuil de rétention, l eau s écoule vers le bas de la couche. Dés que l eau atteint une surface imperméable (sol, glace), la couche se gorge d eau et la neige perd toute cohésion.

13 Si le refroidissement nocturne est suffisant, l eau gèle et les liaisons capillaires se transforment en glace. On obtient une très bonne cohésion dite de regel. Ce regel n affecte en général que la couche de surface.

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