Le matériau neige
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Chaud et froid, dur et mou, blanc et noir – le matériau neige est plein de contradictions. Comme elle se transforme constamment, ses propriétés évoluent également très rapidement. Pour comprendre ces processus compliqués, nos recherches commencent à très petite échelle: au niveau de la microstructure de la neige.
La neige se forme lorsque des gouttelettes en surfusion se transforment en glace dans les nuages, et que la vapeur d’eau se dépose et gèle par la suite sur ces noyaux de cristallisation. Suivant les conditions ambiantes, la forme des cristaux varie de l’aiguillette aux étoiles bien connues. Mais toutes les formes ont en commun une structure hexagonale. Pourtant, chaque cristal de neige est unique. Car pour un diamètre d’un millimètre, un seul cristal contient environ 100 trillions de molécules d’eau. La probabilité que deux cristaux aient la même structure, c’est-à-dire que toutes les molécules se trouvent à la même place, est donc extrêmement faible.
Lorsque les cristaux s’amassent sur le sol pendant une chute de neige, il se forme un matériau très complexe. Au début, il est généralement meuble et poudreux, mais en très peu de temps, les cristaux de glace se soudent à leurs points de contact : c’est le frittage. Ils constituent ainsi une structure poreuse continue, semblable à une éponge de glace. Cette structure ne reste pas longtemps dans le même état. Comme la neige est très proche de sa température de fusion (du point de vue physique, il s’agit d’un matériau « chaud »), elle évolue constamment. On appelle cette transformation métamorphose.
Avec cette structure, les propriétés du matériau évoluent également constamment, par exemple sa densité. Alors qu’un mètre cube de neige fraîche contient tellement d’air qu’il pèse à peine 50 à 100 kg, une neige ancienne frittée peut bien atteindre 400 kg.
Microstructure - la clé de la compréhension
Dans le domaine visible pour nos yeux du spectre solaire, la neige est presque parfaitement blanche, car elle réfracte de la même manière toutes les longueurs d’onde. Le rayonnement thermique est par contre pratiquement totalement absorbé par la neige, ce qui en fait un corps noir dans cette plage de longueurs d’onde.
Pour pouvoir comprendre les caractéristiques de la neige, nous devons commencer par sa microstructure. Ses caractéristiques physiques, comme sa conductivité calorifique ou sa solidité dépendent de la structure du réseau spongieux dans lequel les cristaux de glace sont ordonnés. Nous étudions cette structure tridimensionnelle en laboratoire réfrigéré à l’aide de la tomographie informatique. Dans la nature, les différents facteurs qui agissent simultanément sur la neige ne peuvent être que rarement découplés. À l’inverse, en laboratoire nous pouvons étudier chaque aspect séparément, et comprendre ainsi pas à pas comment la neige évolue sous l’influence de différents paramètres. Lors des expérimentations, nous déterminons les caractéristiques mécaniques et optiques de différents types de neige. Pour ceci, nous prélevons la neige dans la nature, ou bien nous produisons en laboratoire à l’aide d’une machine à neige un matériau identique à la neige naturelle.
