La nivologie est l’étude de la neige, de la formation de ses couches et de son processus de transformation. C’est un domaine très complexe.
Les différents états de l’eau
L’eau existe sous trois états. Solide (glace), liquide (eau) ou gazeux (vapeur d’eau). Les passages d’un état à l’autre s’accompagnent d’absorption ou de dégagement de chaleur.
Comment se forme la neige ?
Formation d'une chute de neige
La vapeur d’eau est un gaz invisible présent dans toute masse d’air en quantité variable. L’état liquide, c’est la pluie, l’état solide, c’est la glace.
Lorsque l’air contient la quantité maximum de vapeur d’eau en suspension (17,15g par m3 à 20° ), on dit que cette masse d’air atteint son point de saturation ou de rosée.
A 0° C le point de saturation d’1 m3 d’air est de 4,85g.
Plus la température est élevée, plus une masse d’air peut contenir de vapeur d’eau en suspension.
La saturation est atteinte beaucoup plus vite quand la masse d’air est froide.
Comment se refroidit une masse d'air ?
Une masse d’air se refroidit parce qu’elle monte. C’est une ascendance. La masse d’air monte si elle rencontre une montagne par exemple -on parle d’ascendance
orographique- ou si elle glisse le long d’un front - on parle d’ ascendance frontale- .
Lorsqu’un gaz monte, il se refroidit, on dit qu’il se détend. Quand on arrive au point de rosée, l’excèdent de vapeur d’eau se condense et forme des gouttelettes d’eau en suspension.
Comment l'eau devient neige ?
Pour qu’il y ait réellement condensation solide, la saturation en vapeur d’eau n’est pas suffisante.
Il faut des températures basses et des noyaux de congélation. Ce sont des poussières volcaniques, argileuses, sableuses et des résidus de combustion. Ces impuretés sont des
germes qui aident au mécanisme de cristallisation.
Un nombre insuffisant de noyau de congélation est un des responsables du phénomène de la surfusion : L’eau est en surfusion quand elle reste liquide malgré des températures
négatives. C’est de l’eau pure.
Ce n’est qu’au-dessous de –12° que les noyaux de congélation deviennent actifs et permettent la solidification des gouttelettes en germes de glace de forme hexagonale. La
cristallisation a lieu et on obtient un cristal de 4-5 mm. Des cristaux enchevêtrés forment un flocon (1-5 cm). Ce qui explique que la neige n’est pas propre car elle contient des
particules de poussières.
Il existe quantité de formes de cristaux selon la température et le degré d’humidité mais tous suivent un système de symétrie d’ordre 6 ( hexagonal), dû à la forme même de la molécule d’eau
H2O.
Quelques chiffres
Vitesse d’une chute de neige : 20-30 cm / s
A –10° la neige est sèche. Son poids est compris entre 30 et 60 kg au m3
Vers 0° la neige est humide. Son poids varie entre 80 et 130 kg /m3
Vers +2 à +3° la neige est mouillée et pèse de 150 à 200 kg /m3
La neige tassée en hiver pèse 200 à 400 kg /m3
La neige fondante d’avril/mai pèse 450 à 500 kg / m3
La glace vive pèse 917 kg / m3
Comment évolue la neige ?
Action du vent sur la neige
Le vent est un agent atmosphérique fondamental en montagne. Il transporte la neige et a un rôle de brassage thermique. Il est un facteur favorisant l’instabilité du
manteau neigeux.
Les 3 mots clés sont érosion, transport, dépôt ou accumulation :
Le vent va transporter la neige. Suivant sa vitesse, le vent favorise le rolling : les grains roulent sur la surface.
Arrivé au sommet d’une crête, le vent décélère, il perd sa capacité de transport, il y aura donc accumulation de neige et formation de plaque à vent sur le versant sous le vent. On peut aussi
trouver des formations de plaques à vent sur le versant au vent : Le vent tourne et la pente n’est pas toujours lisse, un simple rocher peut favoriser le dépôt.
Le plaque à vent est donc une accumulation de neige due au vent. La plaque est compacte, a une cohésion intrinsèque mais n’a aucune cohésion avec le reste. Il peut y avoir des petites poches
d’air entre la plaque et la sous couche due au fait que la neige se dépose très vite et a donc une très mauvaise adhérence. Une plaque peut partir très vite en avalanche de plaque si un de ses
ancrages est cassé par une surcharge ou par un ébranlement.
Les plaques partent sur des pentes de 30° à 45° à une vitesse de 50-80 km /h.
Les corniches sont une autre formation de neige due au vent : les plaques de neige s’accumulent les unes au-dessus des autres et emprisonnent des poches d’air. Une corniche peut pendre au-dessus
du vide. Le skieur peut rompre la corniche et tomber avec elle. La rupture d’une corniche peut déclencher une avalanche.
Action de la pesanteur
Au sein des couches de neige, les cristaux sont également soumis à de fortes contraintes résultant de la pesanteur. Un cristal de neige fraîche, situé à 10 cm sous la
surface du manteau neigeux par exemple, supporte environ 100 fois son propre poids. Les cristaux se brisent rapidement sous la surcharge et le tassement de la neige s’opère.
Action de l'énergie
Le manteau neigeux reçoit et perd constamment de l’énergie. Le soleil, le rayonnement infrarouge émis par les nuages, la condensation, les flux en provenance du sol
chauffent le manteau neigeux alors que, le rayonnement infrarouge de la neige, l’évaporation de l’eau refroidissent la neige. Les variations de température sont donc fréquentes en surface du
manteau neigeux et en moyenne sur toute la couche.
La neige fraiche
Le cristal de neige qui se développe aura des formes différentes selon la température qui règne dans le nuage. On pourra voir des aiguilles ( T° >-10°), des plaquettes ( -10° < T° <-12°).
Ou des étoiles si -13°< T° < -18°. Les étoiles sont les cristaux qui s’accrochent aux fils électriques et aux poteaux par exemple car les branches des étoiles, les dendrites,
s’enchevêtrent. Ceci permet aux cristaux de neige fraîche d’avoir une certaine cohésion entre eux, appelée cohésion de feutrage.
Cette neige de poudreuse est très légère (30 à 80kg/m3), on en fait de belles boules. La propagation des contraintes est faible, ce qui veut dire que si une fissure se forme, ou qu’il naît une
onde de choc, elles ne se propageront pas vite ou pas du tout.
Une fois tombée, la neige fraîche se transforme très vite, les belles étoiles sont très fragiles et donc sensibles aux conditions météorologiques.
La transformation de la neige
La neige se transforme sous l’effet d’action mécanique
Par son poids : Par le poids des couches supérieures, les étoiles se brisent et la neige fraîche vient se transformer en particules reconnaissables.
La neige se transforme sous l’effet d’action thermodynamique
La neige fraîche va évoluer différemment selon la température au sein du manteau neigeux et surtout selon les différences de température entre
le haut et le bas du manteau. Donc pour savoir comment va évoluer la neige, c’est-à-dire quelles sont les transformations thermodynamiques possibles de la neige, on va mesurer le gradient de
température.(cf. figure droite)
Le gradient se mesure en prenant 2 points sur une même verticale dans la couche de neige et en mesurant la température des deux points ( T° haut et T° bas)
La différence de température ramenée à la distance qui sépare les 2 points est le gradient.
Evolution de la neige sèche ( sans eau liquide)
Temps nuageux et pas trop froid :
Comme T° bas est proche de 0°, le gradient sera faible. La neige fraîche ou récente ( particules reconnaissables) se transforme en grains fins lentement ( 7 à 10 jours)
Ciel clair la nuit : ( ou sur les pentes non ensoleillées )
La neige se refroidira plus vite en surface, le gradient sera moyen ou fort
Gradient moyen : La neige récente se transforme en faces planes
Gradient fort : la neige récente se transforme en gobelets après avoir passé le stade de faces planes. Il faut environ 10 jours pour former des gobelets.
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Evolution de la neige humide
La neige est humide si elle contient de l’eau qui peut provenir de la pluie ou de la fonte en surface du manteau neigeux. La température en surface est alors de 0°.
Quelle que soit la neige initiale, la présence d’eau liquide provoque rapidement une évolution vers des grains ronds.
Cette neige humide est très lourde ( 400 à 500kg/m3. Elle a une assez bonne cohésion par la présence de l’eau ( c’est ce qu’on appelle la cohésion capillaire)
Mais si l’eau augmente encore (par la pluie ou la fonte) la neige ne peut plus contenir toute l’eau et la cohésion capillaire disparaît et la neige gorgée d’eau s’écroule le long de la pente.
Les grains ronds sont le stade ultime avant la fonte de la neige.
Par contre, si le froid revient et pénètre dans le manteau neigeux (une nuit claire) , on obtient une cohésion de regel.