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Kalte Forschung am «heissen» Material

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La neige est un matériau étrange. Du point de vue de la physique, elle n’est pas du tout froide, mais brûlante. Sa capacité de transformation tient en haleine les spécialistes en physique de la neige et les chercheurs en avalanches, les développeurs de technologie du ski et les fabricants de pneus.

 

Tout commence avec un grain de poussière – un germe de condensation – dans un nuage. De la vapeur d’eau s’y fixe et gèle pour devenir un cristal de neige. Si plusieurs de ces cristaux s’assemblent, un flocon de neige est né: une structure en étoile composée d’environ 100 trillions de molécules d’eau qui tourbillonne vers le sol et atterrit sur d’autres cristaux de neige.

Ce qui ressemble à une moelleuse couverture recouvrant le paisible paysage hivernal est, selon les dernières connaissances de la recherche sur la neige, un élément extrêmement évolutif: à peine atterri, notre flocon de neige commence sa métamorphose. «La neige se comporte différemment de la plupart des autres matériaux, cela rend son étude passionnante», explique Martin Schneebeli. Le chef du groupe de recherche Physique de la neige au SLF
examine depuis des décennies la capacité de transformation de la neige en laboratoire, où il est possible d’explorer séparément les facteurs d’influence tels que la température, la pression ou le frottement.

Un matériau «brûlant»

Loin du point de fusion – par exemple à –100 °C –, la neige évolue peu. Mais plus sa température se rapproche du point de fusion, plus les molécules des cristaux de neige se mettent à bouger. Comme la neige sur terre n’est jamais éloignée de son point de fusion à 0 °C, elle est du point de vue de la physique un matériau «brûlant». «Cela a d’immenses répercussions sur le comportement des matériaux», souligne M. Schneebeli.

Une fois le cœur du flocon formé, de nouveaux cristaux de glace s’ajoutent au fur et à mesure à la structure – c’est le phénomène du frittage. Des ponts de glace se forment alors, qui lient fortement entre eux les grains de la couche de neige. C’est ainsi que la neige fraîche poudreuse devient de la vieille neige stable. Sans ce processus de frittage, la préparation des pistes de ski serait par exemple impossible faute de surface dure et adhérente. Ce processus fonctionne le mieux en présence de petites particules de neige d’où peut s’échapper une grande quantité de vapeur d’eau, explique Hansueli Rhyner, chef du groupe de recherche du SLF Sports de neige. Ce qui est le cas pour la neige artificielle – les spécialistes parlent de neige technique. Elle convient ainsi mieux à l’aménagement des pistes que la neige naturelle.

Une autre particularité physique de la neige est sa pression de vapeur relativement élevée. Cela signifie que les molécules d’eau passent directement de l’état solide à l’état gazeux. Aux endroits plus froids, les molécules vaporisées se fixent à nouveau sur les autres cristaux de glace. De nouvelles structures de cristaux peuvent alors se créer, par exemple des structures en gobelets, appelées givre de profondeur. Celui-ci forme des couches fragiles, redoutées dans le manteau neigeux, qui favorisent la formation d’avalanches.

 

La neige rend ingénieux

La connaissance des couches fragiles est décisive pour évaluer le risque de départ d’avalanche. Les profils de neige y contribuent. Ils sont établis par des mesures manuelles une fois que l’on a creusé la neige, armé d’une pelle, à la sueur de son front. Cette méthode conserve son importance pour les tests de stabilité. L’examen de l’intérieur du manteau neigeux est toutefois beaucoup plus rapide et beaucoup plus précis aujourd’hui grâce au SnowMicroPen développé au SLF (micro-pénétromètre nivologique).

La sonde portative est placée à la surface de la neige. La pointe pénètre dans la neige, entraînée par un moteur, et mesure tous les quatre micromètres la force alors requise. Chaque couche – qu’il s’agisse d’une mince couche de glace, de givre de profondeur ou de neige fraîche – émet un signal propre de résistance à la pression. Il est ainsi également possible de mesurer, sur de grandes surfaces, les propriétés de la couche fragile qui ne présente souvent que quelques millimètres d’épaisseur. L’appareil est entre-temps devenu un standard de l’évaluation du manteau neigeux, selon M. Schneebeli.

Les nivologues ont emprunté une autre technologie à la médecine: la micro-­tomodensitométrie (microCT), qui permet d’étudier les tissus sans les dé­grader. Grâce à un appareil spécialement adapté à la neige dans le laboratoire réfrigéré du SLF, ils peuvent aujourd’hui observer la transformation des échantillons de neige «en direct» sur de longues périodes, et déterminer de façon exacte la disposition spatiale de la glace et de l’air à l’intérieur de la neige. Ces données permettent notamment de contrôler la précision des modèles du manteau
neigeux.

Plus il fait froid, plus les frottements sont nombreux

Dès que la neige intervient, sa capacité de transformation met la technique à l’épreuve. Les pneus d’hiver doivent par exemple adhérer le mieux possible à la neige en présence de différentes températures et de divers degrés de rigidité. Les chercheurs du SLF ont spécialement développé une machine qui leur permet d’étudier précisément les frottements du caoutchouc sur la neige de tous types. Les données ainsi obtenues aident ensuite les fabricants de pneus à développer des pneus d’hiver de meilleure qualité.

La pratique du ski dépend aussi de l’humeur de la neige. Si celle-ci est trop chaude, une piste racée de Carving se transforme en gelée pâteuse vaste et dure. Si elle est trop froide, elle ralentit: «Plus la neige est froide, plus les frottements sont nombreux», explique Hansueli Rhyner. Pour skier, une température de la neige comprise entre –3 et –5 °C est optimale, le film d’eau sur lequel glisse le ski est alors idéal.

Notre flocon de neige s’est ainsi à nouveau transformé en eau sous le ski. La proximité permanente de la neige «brûlante» avec son point de fusion met les nivologues à l’épreuve – et les fascine. Petit à petit, ils percent les mystères de cette substance naturelle changeante, ce qui profite finalement à la protection contre les avalanches, à la recherche climatique ainsi qu’à l’industrie automobile et à l’industrie des sports de neige. (Beate Kittl, Diagonale 1/18)

 

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