L’orientation cristalline des grains de glace dans le manteau neigeux

Comme dans tout type de cristal, les molécules constituant un cristal de glace – ici les molécules d’eau – sont disposées de manière ordonnée en suivant se qu’on appelle un réseau cristallin. Pour la glace, le réseau cristallin est hexagonal. Un cristal de glace est donc caractérisé par deux faces basales et six faces prismatiques. Dans la nature, cet aspect hexagonal du cristal de glace se voit à l’œil nu dans les cristaux de neige fraiche (fig. 1). L’axe perpendiculaire aux faces basales est défini par les cristallographes comme l’axe c (fig. 1). Ainsi, lorsque l’on veut connaitre la disposition d’un cristal de glace au sein du manteau neigeux, on définit l’orientation de cet axe c par une inclinaison (de 0° (verticale) à 90° (horizontale)) et un azimut ( de 0° à 360°).

Cette orientation des cristaux intrigue les nivologues depuis de nombreuses années. Ils supposent qu’elle puisse influencer les caractéristiques physiques et mécaniques de la neige – et ainsi avoir une importance dans la densification du manteau neigeux par exemple. Néanmoins, jusqu’ici une seule étude a mesurée de manière fiable l’orientation des cristaux : cette étude, basée sur des expériences en chambre froide, a mis en évidence l’évolution de la distribution de l’orientation cristalline des grains de glace de la neige lorsque celle ci est soumise à un gradient de température.

Les chercheurs du SLF et du Laboratoire de Glaciologie et Géophysique de l'Environnement (LGGE) à Grenoble ont mesurés pour la première fois l’orientation cristalline de la glace dans de la neige naturelle prélevée en Antarctique et semblent montrer un lien entre l’évolution de l’orientation cristalline de la glace et la température à laquelle la neige est soumise. À la station Concordia, dans l’est de l’Antarctique, les températures de la neige à 10 cm sous la surface varient entre -25 °C en été et - 70 °C en hiver. Les chercheurs ont collecté à ce site des échantillons de neige en continu depuis la surface du manteau neigeux et 3 m de profondeur. En Suisse, ils ont étudié leur microstructure en 3D par tomographie aux rayons X (masse volumique, surface spécifique et taille des pores). Par ailleurs, pratiquement 80 lames minces de neige ont été réalisées dans les échantillons de neige (fig 3), une opération très délicate, et analysés avec l’Automatic Ice Texture Analyser (AITA), un appareil qui mesure, à quelques degrés près, l’orientation de l’axe c (inclinaison et azimut) de chaque cristal de glace contenu dans la lame mince analysée.

La température influence l’évolution de la distribution des orientations cristallines des grains de glace dans la neige

Les résultats confirment les expériences en laboratoire : les cristaux de glace ne se contentent pas de changer de forme sous l’influence de gradients de température, mais la distribution de l’orientation cristalline des grains de glace évolue également. En conséquence, différents types d’orientation (les orientations typiques étant isotrope, selon la verticale, ou selon l’horizontale) ont pu être observé au sein d’un même manteau neigeux. Au vue de l’anisotropie des propriétés mécaniques de la glace (par exemple, une contrainte 60 fois plus large est requise pour déformer de manière similaire un cristal de glace le long d’un plan non-basal que le long d’un plan basal), il est possible que le comportement mécanique d’une couche de neige ne dépende pas seulement de la microstructure, mais aussi de l’orientation cristalline des cristaux de glace.

En régions polaires, ces observations constituent un résultat intéressant pour la modélisation de la densification de la neige et du névé, et ouvre la porte à des études approfondies sur le rôle de l’orientation cristalline des grains de glace dans la neige. La modélisation de la densification de la neige et du névé est cruciale pour dater les carottes de glace prélevées en profondeur dans les calottes polaires qui permettent de reconstruire l’histoire du climat de la terre jusque plusieurs millénaires en arrière. Au-delà des régions polaires, ces résultats devraient contribuer à mieux comprendre les caractéristiques mécaniques de la neige.