16. La neige : formation et transformations

Samuel Morin

p. 78-79


Texte intégral

1Le manteau neigeux est l’une des manifestations les plus fascinantes du cycle de l’eau à la surface terrestre. La neige au sol est considérée du point de vue hydrologique comme un stock temporaire d’eau, dont la fonte permet de contribuer au débit des rivières, y compris en dehors des périodes de précipitations. Elle constitue, en outre, une interface unique entre la surface terrestre et l’atmosphère, exerçant une influence sur les conditions météorologiques et le climat régional et mondial. La neige est une ressource intrinsèque pour l’économie touristique en zones de montagne et une cause récurrente de dommages humains et matériels dus aux avalanches.

Origine et structure du manteau neigeux

2Les cristaux de glace constituant les flocons de neige se forment dans les nuages (cf. II.15). Leurs formes dépendent des conditions de température et d’humidité, mais aussi du degré de pureté de l’air nuageux. Si la température entre la zone de formation des cristaux dans les nuages et la surface terrestre demeure inférieure ou suffisamment proche du point de fusion de l’eau (0°C) pour éviter la fusion des flocons en gouttes de pluie, la neige peut s’accumuler au sol. Les mêmes concepts physiques sont mobilisés pour produire artificiellement de la neige au niveau du sol, dont la mise en œuvre pratique et l’efficacité énergétique dépendent des conditions météorologiques (température, humidité relative et vitesse du vent).

3Après son dépôt à la surface du manteau neigeux, qui peut souvent être considéré comme un millefeuille dont la structure correspond à l’accumulation de couches de neige aux propriétés variables, la neige subit des transformations incessantes. À l’échelle microscopique, elle est caractérisée par une architecture tridimensionnelle complexe de cristaux de glace interconnectés (figure 1), initialement constituée de flocons de neige empilés. Les transformations de la neige après son dépôt, dénommées « métamorphoses » ou « métamorphisme », sont la conséquence de phénomènes de recristallisation à l’échelle microscopique, c’est-à-dire de multiples successions de processus de changement de phase, impliquant les trois phases de l’eau (liquide, gazeuse et solide), aboutissant à l’érosion* de certaines zones de la microstructure et à la croissance de certaines autres. Le métamorphisme est à l’origine des différents types de neige rencontrés dans la nature (figure 1). Il est gouverné par les conditions de température et de teneur en eau liquide, qui résultent de l’interaction entre les conditions atmosphériques en surface et du sol sous-jacent et les processus internes de transfert d’énergie et d’eau liquide. Ces derniers dépendent des propriétés physiques de la neige, qui sont intimement liées aux variables qui décrivent la microstructure, au premier rang desquelles la masse volumique, et qui évoluent au cours du temps sous l’effet des transformations du matériau, y compris les réorganisations géométriques (responsables du tassement).

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Fig. 1 – Visualisation tridimensionnelle de 4 types de neige à différentes étapes de son évolution, obtenue par tomographie aux rayons X. Source : Calonne et al., 2014

4En surface, le manteau neigeux est soumis au rayonnement infrarouge thermique atmosphérique, au rayonnement solaire et aux flux de chaleur dits « turbulents », qui sont liés aux contrastes de température et d’humidité entre l’atmosphère et la surface du manteau neigeux et dont l’intensité est liée à la vitesse du vent. En raison de sa microstructure complexe, la neige absorbe la quasi-intégralité du rayonnement infrarouge thermique atmosphérique. En retour, elle émet un rayonnement infrarouge thermique en fonction de sa température de surface. Une partie du rayonnement solaire est absorbée par la neige, l’autre est réfléchie vers l’atmosphère. Le rapport entre ces deux termes est dénommé albedo* (cf. II.14). Il dépend de la teneur en impuretés et de la microstructure de la neige* près de la surface. Il existe donc de multiples interactions et rétroactions entre les processus physiques à l’œuvre dans la neige, son bilan d’énergie et de masse, et, in fine, son comportement vis-à-vis des autres compartiments de la surface terrestre (risque d’avalanche, flux de fonte basale, isolation thermique du sol sous-jacent…). En outre, la neige au sol peut être remobilisée par le vent, ce qui induit des transformations de l’aspect de la neige (rugosité, accumulations, congères) et contribue à la grande hétérogénéité de ses propriétés.

Les recherches en nivologie

5Les recherches en nivologie visent à mieux comprendre les processus gouvernant l’évolution de la neige dans son environnement. Ceci requiert en particulier de mieux appréhender les relations entre propriétés microscopiques et comportement global du matériau, notamment grâce à des simulations numériques utilisant des images obtenues par microtomographie aux rayons X (figure 1). Ces recherches, outre leur intérêt académique intrinsèque pour mieux comprendre le métamorphisme, permettent de perfectionner et de mettre en œuvre des moyens de simulation numérique utilisés pour prévoir l’état du manteau neigeux et son évolution. Ceci permet d’estimer le risque d’avalanches à l’échelle régionale, le rôle de la fonte nivale sur les ressources en eau et sur les risques de crue en zone de montagne, ainsi que l’impact du changement climatique sur le manteau neigeux. Ces travaux de recherche et leurs déclinaisons appliquées et opérationnelles, s’appuient avant tout sur des moyens d’observation et d’expérimentation du manteau neigeux à toutes échelles (figure 2). Outre l’observation in situ, les caractéristiques spécifiques de la neige, notamment les diverses modalités d’interaction entre sa microstructure et le rayonnement électromagnétique, en font une cible privilégiée pour l’observation par satellite. Les études sur la neige et leurs applications nécessitent néanmoins de s’articuler avec des estimations et des prévisions les plus fiables possibles des conditions météorologiques, qui demeurent la principale source d’incertitude pour l’estimation de l’évolution des caractéristiques du manteau neigeux à la surface de la Terre.

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Fig. 2 – Site expérimental du col de Porte, dans les Alpes françaises, où sont mesurées simultanément le maximum de variables relatives aux conditions atmosphériques et du manteau neigeux (y compris l’écoulement basal), en vue d’améliorer les connaissances sur les méthodes de mesures, les processus du manteau neigeux et d’évaluer les modèles numériques utilisés pour simuler l’état du manteau neigeux à des fins de prévision à courte échéance ou de d’analyse et projection aux échelles climatiques. © Météo-France – CNRS

Bibliographie

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Références bibliographiques

10.4267/2042/47245 :

• E. BRUN et al. Le modèle de manteau neigeux Crocus et ses applications, La Météorologie, 76, 44-54, 2012.

• S. MORIN – L’observatoire nivo-météorologique du col de Porte, Neige et Avalanche, 141, 2013.

• N. CALONNE et al. Study of a Temperature Gradient Metamorphism of Snow from 3-D Images: Time Evolution of Microstructures, Physical Properties and their Associated Anisotropy, The Cryosphere, 8, 2014.


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