Métamorphose de la neige

La métamorphose transforme la neige fraîche en très peu de temps. Depuis quelques années, nous pouvons observer et mesurer ces évolutions « en direct » avec la tomographie informatique.

Fig. 1: Avec un dépôt isotherme, les cristaux croissent et s’arrondissent. Les deux cubes ont une arête de 5 mm, la différence d’âge est d’un an. Prise de vue tomographique: Johanna Spiegel

La neige est un matériau « chaud », c’est pourquoi elle peut évoluer très vite. Sa température étant constamment proche du point de fusion, elle présente également une pression de vapeur élevée. Cela signifie que de la vapeur d’eau se sublime en permanence de la glace, et va se déposer à nouveau à un endroit un peu plus froid. La vitesse à laquelle les processus de transformation (métamorphose) se déroulent est très différente suivant les conditions ambiantes. En principe, on peut dire que la neige se transforme d’autant plus rapidement que la température est élevée et que les écarts de température sont importants.

Les propriétés de la neige évoluent avec sa métamorphose. C’est pourquoi la compréhension du processus et des causes de la métamorphose est très importante pour tous ceux qui se penchent scientifiquement sur la neige, et notamment sur ses propriétés mécaniques et physiques, l’évolution du manteau neigeux, la formation d’avalanches, les calottes glaciaires polaires, différents modèles climatiques, etc. La possibilité de scanner la neige dans un tomographe informatique nous a bien fait avancer dans l’étude et la quantification des processus. Désormais, nous pouvons observer la façon dont des échantillons de neige évoluent dans des conditions ambiantes contrôlées (p. ex. température ou gradient de température bien définis), et mesurer à tout moment les paramètres intéressants (densité, surface spécifique, anisotropie, etc.).

Métamorphose isotherme

S’il règne la même température en surface de la neige et au sol, la métamorphose (appelée alors isotherme) s’effectue très lentement. La force motrice est l’« effort » physique de réduction de superficie. Lors de ce processus, les structures de glace se subliment aux extrémités convexes des petites branches qui présentent la tension de surface la plus élevée, et la vapeur d’eau subit à nouveau une condensation solide dans les creux plutôt concaves. Les cristaux, à l’origine en forme d’étoile, se transforment en structures arrondies (fig. 1). Dans la nature, des températures isothermes aussi constantes se retrouvent dans les régions polaires à une profondeur de plusieurs mètres sous la surface, ou dans d’autres manteaux neigeux très épais.

Abb. 2: Becherkristalle in der Schneedecke. Bild: Thomas Stucki, SLF — Fig. 2: Gobelets dans le manteau neigeux. Image: Thomas Stucki, SLF

Métamorphose par gradient de température

En dehors des régions polaires, c’est généralement un manteau neigeux saisonnier, relativement peu épais, qui recouvre le sol. Alors que sa surface est sous l’influence constante de la température de l’atmosphère, il règne au sol sous la neige une température relativement constante proche de 0 °C. En raison de ces gradients de température, la vapeur d’eau contenue dans les interstices au sein de la structure commence à émigrer des régions chaudes vers les régions froides, donc dans un manteau neigeux alpin de bas en haut. Lorsque la vapeur d’eau rencontre un cristal de glace, elle se dépose à sa partie inférieure, et celui-ci commence à croître vers le bas. Simultanément, le même cristal se sublime sur sa face supérieure plus chaude, et réalimente ainsi en vapeur d’eau le cristal supérieur. Au bout d’un certain temps, ce processus conduit à une transformation et à un renouvellement complet des cristaux de glace d’origine. Ces nouvelles créations présentent des formes qu’on ne retrouve jamais dans les cristaux de neige formés dans les nuages, par exemple des gobelets (fig. 2).

Grâce à des prises de vue successives dans un tomographe informatique (CT), on obtient le film accéléré suivant qui montre la création de givre de profondeur. Les conditions dans le CT ont été choisies pour correspondre à celles qu’on observe également pendant de courtes périodes dans la nature, ici un gradient de température de 5 °C pour 10 cm.

Gradients de température alternés

Dans le manteau neigeux, le gradient de température peut non seulement varier, mais également changer de direction. En d’autres termes : parfois, il fait plus chaud en surface que dans le manteau, et quelques heures plus tard ce peut être l’inverse.
Grâce aux expériences dans le CT, nous avons analysé comment le changement de direction du gradient de température influence la métamorphose de la neige. La neige fraîche a été soumise à un gradient de température alternatif de ± 9 °C pour 10 cm, comme il s’en produit lors des journées hivernales claires à environ 10 cm de profondeur. En 12 heures, 60 % de la neige s’est transformée.

Cette recristallisation a formé des structures de neige plus grandes et moins liées. Les cristaux se sont transformés en structures à petits bras arrondis, qui ne présentaient pas, même après 14 jours, de formes anguleuses.

Fig. 3: Cristaux de glace au début (à gauche) et à la fin (à droite) de la métamorphose avec un gradient de température alterné. Image: archive SLF

Métamorphose de fonte

La métamorphose de fonte est un cas spécial de la métamorphose isotherme. Lorsque la température augmente, l’air situé dans les pores de la neige est remplacé par de l’eau de fonte à 0 °C. La chaleur étant transportée dans l’eau liquide beaucoup plus rapidement que dans les espaces interstitiels, la transformation vers de grosses structures rondes est beaucoup plus rapide.