Transformation de la neige à proximité de la surface
Un gradient de température dans le manteau neigeux est
pratiquement toujours le moteur de la transformation de la neige sèche dans la
nature. Ce que l'on appelle la métamorphose transmute la neige fraîche en
l'espace de quelques jours et contribue notoirement à la formation des
avalanches. Depuis quelques années, le SLF étudie la structure de la neige et
ses métamorphoses grâce à la microtomographie informatique en laboratoire
réfrigéré (in situ).
Exemple du givre de
profondeur
La métamorphose de la neige transforme le cristal, qui
change totalement. Le givre de profondeur, qui apparaît ainsi au niveau du sol,
est la forme la plus visible de ce phénomène. Il est caractérisé par des cristaux
en forme de gobelets bien marqués. Jusqu'ici, les nivologues pensaient que les gros cristaux se
développaient aux dépens des petits, et conservaient donc leur noyau, le flocon
métamorphosé.
Figure 1: Un cristal de givre de profondeur
typique, libéré de sa gangue (environ 2,5 mm). La surface anguleuse
inférieure est la zone de croissance, tandis que la partie arrondie supérieure
se sublime partiellement.
La métamorphose révélée pour la
première fois
Grâce à la microtomographie informatique
quadridimensionnelle, B. Pinzer, M. Schneebeli et T. Kämpfer ont observé
pour la première fois directement la formation de givre de profondeur (voir
film).
Film: Le gradient de
température reste fixé pendant trois semaines à 50 °C par mètre,
conditions que l'on peut retrouver dans la nature en hiver. Les cristaux
grandissent à la face inférieure froide. Le mouvement apparent vers le bas est
provoqué par un phénomène permanent ‑ sublimation à la face supérieure, et
croissance à la face inférieure ‑ et non par un tassement mécanique.
Mais de manière surprenante, ils ont découvert un processus
totalement différent de ce que l'on imaginait jusque-là : tous les
cristaux se sont plusieurs fois totalement sublimés (déconstruction) et à
nouveau reconstitués à un autre endroit (reconstruction). Pendant l'expérience
qui s'est poursuivie pendant trois semaines, les cristaux se sont transformés
six à sept fois complètement. La durée de vie d'un cristal de neige s'est donc
élevée à deux ou trois jours.
Figure 2: La durée de vie d'un cristal pendant une
expérience, après 9, 18 et 27 jours (de haut en bas). Très peu de glace date de
plus de huit jours, c'est le cas de la partie supérieure du cristal de givre de
profondeur de la photo du bas. 60% de la glace se renouvelle en deux ou trois
jours.
Le flux de vapeur reste constant
Les scientifiques ont pu mesurer directement pour la première fois le
flux de vapeur pendant la métamorphose. Bien que la forme des cristaux évolue
fortement, la quantité de vapeur d'eau transportée, c'est-à-dire le flux de
vapeur, est restée constante pendant toute l'expérience. Ce type de transport
est caractérisé de « main à main », Z. Yosida et coll. l'ont observé
pour la première fois dans les années 50. Leurs mesures indirectes du flux de
vapeur étaient cependant trop élevées, ce qui a mené jusqu'à aujourd'hui à une
controverse pour savoir si la diffusion de la vapeur d'eau est plus grande dans
la neige que dans l'air. Avec cette nouvelle expérience, les scientifiques du
SLF ont pu répondre à cette question : la diffusion dans la neige est une
constante physique, et elle est donc égale à celle mesurée entre deux plaques
de glace.
Transformation de la neige à proximité de la surface
Les couches de neiges proches de la surface
ne jouent pas seulement un rôle déterminant dans la constitution des couches de
neiges fragiles mais sont aussi importantes dans des procédés photochimique. A
la surface de la neige, le gradient thermique, ainsi que sa direction, peuvent
changer. En d'autres termes, la surface de la neige peut être plus chaude que
le manteau neigeux à un moment donné et plus froide, quelques heures plus tard.
L'impact de la direction du gradient thermique sur la transformation de la
neige n'avait, jusqu'à aujourd'hui, jamais été étudiée. Grâce à la haute
résolution de la tomographie, les collaborateurs du SLF peuvent actuellement
analyser ces phénomènes en laboratoire.
60 % de la totalité de la neige se transforme
La neige fraîche est soumise à un gradient de
température cyclique de ± 90 degrés Celsius par mètres, comme c'est le cas dans
la nature, un clair jour d'hiver à une profondeur d'environ 10 cm. En l'espace
de 12h, 60 % de la totalité de la neige se transforme. Cette recristallisation
a lieu dans les structures neigeuses les plus grosses et les moins liées. Les
cristaux de neiges prennent alors des formes arrondies (Figure 3).
Figure 3 : Cristal de neige au début et à la
fin d'une expérience durant 14 jours avec la même échelle. Pendant
l'expérience, l'amplitude du gradient de température sinusoïdal est fixée à 90
degré Celsius par mètre.
La transformation des cristaux de neige en
structures oblongues laisse la neige meuble comme de la neige fraîche, bien que
sa structure soit complètement différente. La neige paraît comme de la neige
fraîche pour le skieur. S'il la neige était sous forme de petites boules, elle
se tasserait beaucoup plus vite et deviendrait très dure. Les cristaux de neige
de structures oblongues en comparaison à de la neige fraîche sont des
structures moins liées et fragiles. Lorsque de la nouvelle neige tombe, ces
structures peuvent devenir une couche fragile dans le manteau neigeux et
peuvent favoriser des déclenchements d'avalanches de plaque.
Pinzer, B. R., Schneebeli, M., and Kaempfer, T. U.
(2012) Vapor flux and recrystallization during dry snow metamorphism under a
steady temperature gradient as observed by time-lapse micro-tomography, The
Cryosphere, 6, 1141-1155, doi:10.5194/tc-6-1141-2012. >>
Pinzer, B. R., and M. Schneebeli (2009), Snow metamorphism under alternating
temperature gradients: Morphology and recrystallization in surface snow, Geophys.
Res. Lett., 36, L23503, doi:10.1029/2009GL039618. >>
