Un nouveau modèle d'avalanches

Fig. 1: Une avalanche poudreuse dans le site de recherche sur les avalanches de la "Vallée de la Sionne"

Pour dimensionner les constructions dans des zones menacées et pour élaborer des cartes de danger, la vitesse, la pression, l'épaisseur et les parcours des avalanches doivent être connus. Pour les déterminer, on utilise essentiellement un modèle développé par A. Voellmy après l'hiver avalancheux extrême de 1951 en Suisse et de 1955 en Autriche.

Le problème central de la dynamique des avalanches est, aujourd'hui comme hier, la formulation mathématique du frottement. Elle détermine la vitesse du phénomène et donc sa distance de parcours. Voellmy voyait la neige en mouvement comme un mélange de particules liquides et solides. Il était conscient que le frottement des composants solides était réduit par la « vibration ». Voellmy n'a pas pu prendre en compte explicitement cet effet dans sa représentation mathématique, c'est pourquoi il a essayé de le simuler à l'aide de différents paramètres de frottement. Cette approximation suffisait pour utiliser le modèle dans la pratique, mais il s'appliquait surtout aux avalanches extrêmes, dont les caractéristiques de frottement pouvaient être déterminées à partir des données d'évènements connus.

Fig. 2: L'énergie de fluctuation influence la vitesse d'une avalanche.

Mais on a pu constater que cette simplification ne permettait pas d'expliquer d'autres caractéristiques des avalanches, notamment la création d'un nuage de poudreuse ou la répartition des masses de neige dans la zone de dépôt. La modélisation de petites avalanches continuait de poser un problème. Cette situation peu satisfaisante a conduit les chercheurs en dynamique du SLF à prendre en compte la vibration par l'intermédiaire de nouvelles approches théoriques, sans trop s'écarter du modèle de Voellmy bien rôdé. En physique, la vibration est représentée par l'énergie de fluctuation. Grâce à de nombreuses expériences en laboratoire et sur le toboggan à avalanches du Weissfluhjoch, ils ont réussi à décrire l'énergie de fluctuation des avalanches avec précision dans leur modèle mathématique. La neige qui les constitue est un matériau granulaire. Chaque grain possède une vitesse différente, et la collision avec d'autres grains lui donne des directions très variées. L'énergie de fluctuation apparaît lorsqu'un grain effectue des mouvements qui s'écartent de la trajectoire de l'avalanche (Fig. 2). La somme de ces déviations constitue l'énergie de fluctuation. La tête de l'avalanche par exemple, là où se crée le nuage de poudreuse, présente une énergie de fluctuation élevée. Ces réflexions ont amené les chercheurs à dresser un nouveau bilan énergétique, dans lequel la production et la destruction d'énergie de fluctuation sont déterminées explicitement. Ils ont constaté que ces processus dépendent de la rugosité du sol et des caractéristiques de la neige.

Fig. 3: RAMMS - un système de modélisation d’avalanche sur le terrain tridimensionnel alpin.

L'impact de cette extension du modèle s'est révélé surprenant. Non seulement, le système permet de simuler des avalanches de différentes tailles, mais il est également possible de déterminer si, au moment d'une rupture du manteau neigeux, celui-ci se contente de se tasser, s'il se crée seulement une petite coulée rapidement freinée, ou si une grosse avalanche est possible. L'avantage principal de ce nouveau bilan énergétique : la formulation mathématique peut être prise en compte dans des programmes de simulation comme RAMMS (Fig. 3), et se mettre ainsi désormais au service de la recherche et de la pratique.