Expériences sur la propagation des ruptures et le déclenchement des avalanches
Déclenchement des avalanches de plaque
Parmi les différents types d'avalanche, les avalanches de plaque (fig. 1) sont les plus dangereuses et les plus volumineuses. Avant qu'une plaque de neige ne puisse se déclencher, il faut qu'une couche fragile, enfouie dans la neige, se rompe sur une surface importante. La rupture démarre en un point déterminé, par exemple sous un skieur, et se propage toute seule sous la plaque, jusqu'à ce que l'avalanche se déclenche. Depuis longtemps, on sait que les avalanches de plaques ne partent que dans les versants d'inclinaison supérieure à environ 30 °. Les amateurs de sports d'hiver expérimentés savent pourtant que les ruptures peuvent également se propager dans des terrains modérément inclinés, voire horizontaux. Lorsque l'on entend un bruit sourd en terrain plat, cela signifie qu'une couche fragile s'est rompue sous le poids de la personne. Une rupture de ce type initiée en terrain plat peut se propager au versant proche et y déclencher une avalanche. On parle en ce cas d'un déclenchement à distance.
Alors que la propagation de la rupture peut très bien s'effectuer aussi en terrain plat, il est nécessaire d'avoir une certaine pente minimale pour le déclenchement de l'avalanche. Les processus cachés derrière ces observations ont pu désormais être décrits par le SLF de manière expérimentale.
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Fig. 1 : une avalanche de plaques peut glisser après que la rupture se soit propagée dans une couche fragile enfouie dans la neige. La photo de gauche montre une avalanche de plaque typique. Sur la photo de droite, on voit une couche fragile à la base de la plaque supérieure.
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Une caméra haute vitesse ouvre de nouvelles perspectives
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Fig. 2: expérience de terrain pour la détermination de la propagation de rupture dans une couche fragile. Ici, on voit la première et la dernière image d'une séquence vidéo. Lors de cette expérience, la couche fragile s'est effondrée et la plaque a commencé à glisser.
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L'étude des processus de rupture lors du départ de l'avalanche n'est pas du tout facile. D'une part, les avalanches sont des événements relativement rares et une instrumentation directe est difficilement possible, et d'autre part l’intervention pourrait se révéler dangereuse pour les participants. C'est pourquoi les chercheurs du SLF essaient de simuler les processus de rupture avec des expériences de terrain. Pour ceci, ils isolent du reste du manteau neigeux un bloc de neige rectangulaire allongé. Du côté aval du bloc, la couche fragile est découpée à l'aide d'une scie à neige jusqu'à ce que la rupture se propage d'elle-même le long du bloc. La découpe à la scie qui enclenche la propagation de la rupture correspond approximativement à la rupture initiale nécessaire pour un déclenchement d'avalanche. Grâce à une caméra numérique haute vitesse enregistrant 300 images à la seconde, les chercheurs documentent la propagation de la rupture. En portant des marques noires au-dessus de la couche fragile, la déformation et le mouvement de la neige peuvent être analysés à l'aide d'une procédure optique, la technique PTV (particle tracking velocimetry). La position des marques est suivie sur chaque image de manière à ce qu’en reliant les points les uns avec les autres, les mouvements au sein du manteau neigeux soient visibles pendant l'expérience. On peut ainsi également déterminer le frottement lors du glissement, après que le processus de rupture soit terminé.
Les figures 3 et 4 montrent les résultats de l'une de ces expériences, au cours de laquelle une rupture se propage dans une couche fragile pour une inclinaison de 34 °, de sorte que la couche de neige (plaque) recouvrant la couche fragile, se mette à glisser. Comme on peut le voir sur la figure 3, la plaque de neige (trait tireté) n'a pas bougé pendant l'effondrement de la couche fragile (trait continu). Mais lorsque la couche fragile, après environ 0,3 seconde, a été rompue sur toute la longueur du bloc, la couche a commencé à glisser avec une vitesse croissante. La force de frottement est représentée sur la figure 4. Lorsque la couche fragile s'est rompue, le frottement a fortement diminué. Après l'effondrement, au contraire, il a rapidement augmenté puis il est resté relativement constant pendant le glissement de la plaque de neige.
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Fig. 3 : déplacement mesuré lors d'une expérience au cours de laquelle une rupture s'est propagée dans une couche fragile du manteau neigeux sur une pente inclinée à 34 °. La ligne continue indique la rupture, la ligne tiretée le glissement
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Fig. 4 : frottement mesuré pendant l’expérience présentée à la figure 3.
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La règle des 30 °confirmée expérimentalement pour les départs d'avalanche
Ces mesures du SLF, ainsi que d'autres travaux récemment publiés démontrent que, pour différents types de couches fragiles, et indépendamment de l'inclinaison du versant, le manteau neigeux se tasse brusquement lors de la rupture initiale. Ce mouvement vertical est provoqué par l'effondrement de la couche fragile sur elle-même. La structure de la neige est détruite localement, de telle sorte qu'en raison de la forte porosité, les couches supérieures s'enfoncent légèrement (souvent de quelques millimètres). Par la suite – si la pente est suffisante pour permettre de surmonter le frottement – les couches se mettent à glisser : l'avalanche se déclenche.
Lors de leurs essais, les chercheurs ont pu déterminer l'angle d'inclinaison de la pente à partir duquel l'avalanche peut glisser. Toutes les mesures indiquent une inclinaison critique d'environ 30 ° et confirment donc expérimentalement la règle empirique classique : on ne voit que très rarement des avalanches en dessous de 30 °.
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