Forme des cristaux de neige et origine des avalanches

Étienne REYSSAT
Claire TAMAIN

Introduction :

Les premières études des cristaux de neige se bornaient à décrire les différentes formes qu'ils pouvaient prendre. Aujourd'hui, on en fait une approche plus scientifique, avec des moyens plus évolués, dans le but de comprendre leur formation et leur évolution. De plus, l'étude des cristaux n'est plus une fin en soi, mais elle a notamment pour objectif d'expliquer comment les transformations des cristaux peut aboutir au phénomène d'avalanche.

I. Historique de l'étude des cristaux de neige :

  1. Johannes Kepler :
  2. En 1611, Kepler publie un petit traité qui est une des premières approches scientifiques de l'étude des cristaux de neige. Il a bien sûr remarqué la symétrie hexagonale que présentent beaucoup de cristaux. Sans rien connaître de la nature d'un cristal, il entrevoit déjà un lien entre cette symétrie et l'empilement hexagonal compact de sphères.

  3. René Descartes :
  4. Descartes est le premier, en 1635, à décrire précisément plusieurs formes de cristaux de neige. Il note même quelques formes rares, comme des étoiles à douze branches. Il était sans doute difficile de faire un travail plus complet à l'oeil nu.

  5. Robert Hooke :
  6. En 1665, l'invention récente du microscope permet à Hooke de réaliser des observations encore plus précises. Il publie dans Micrographia de nombreux dessins qui révèlent la complexité et la diversité des structures des cristaux de neige.

     

     

     

     

  7. Wilson A. Bentley
  8. Bentley était un fermier et un photographe Américain. Il a réalisé des milliers de photographies de cristaux de neige. Deux mille d'entre elles sont rassemblées dans un livre publié en 1931 intitulé Snow Crystals.

     

     

     

  9. Ukichiro Nakaya

Nakaya est le premier à s'être lancé dans une étude systématique des cristaux de neige, apportant ainsi beaucoup à la compréhension des formes qu'ils peuvent prendre. En 1936, il est le premier à produire de la neige artificielle. Il a créé des cristaux en laboratoire, ce qui lui a permis d'étudier leur formation dans des conditions bien contrôlées. Une grande partie du travail de Nakaya est rassemblée dans un livre publié en 1954 : Snow Crystals : Natural and Artificial.

 

 

II. Diversité des cristaux de neige :

  1. Classification des cristaux :

  1. Classification de l'International Commission on Snow and Ice :
  2. Adoptée en 1952, cette classification recense 7 catégories principales de cristaux de neige, proposées par le japonais Nakaya : plaquettes, étoiles, colonnes aiguilles, dendrites, colonnes à capuchon et cristaux irréguliers. Aux cristaux de neige s'ajoutent trois autres formes de précipitations solides (dans les trois dernières lignes du tableau ci-dessous). On s'imagine le plus souvent que les cristaux de neige sont du type étoile ou plaquette. Pourtant, ces deux types de cristaux ne sont pas plus représentés que les autres.

     

     

     

  3. Classification de Nakaya :

Suite à ses travaux des années 1930, le japonais Nakaya a réparti les cristaux de neige dans 7 grands groupes. Ces 7 familles se subdivisent en 41 types de cristaux au total.

 

c. Classification de Magono et Lee :

Magono et Lee ont proposé en 1966 une amélioration de la classification de Nakaya, répertoriant 80 types de cristaux.

 

  1. Amorce de la croissance, symétrie hexagonale
  2. La présence d'impuretés (poussières…) est nécessaire à la formation de cristaux de glace. L'apparition d'une phase dans une autre est en effet rendue difficile par des effets de tension de surface. Tant que le rapport surface/volume de la nouvelle phase est petit, la croissance est énergétiquement défavorable. Si ce rapport est assez grand, alors la croissance est possible. Les impuretés permettent à la nouvelle phase d'atteindre cette taille critique. Dans le cas de la glace, il se forme autour des germes des cristaux prismatiques hexagonaux. Les cristaux plus compliqués sont issus de l'évolution de ces cristaux simples, ce qui explique que beaucoup d'entre eux présentent une symétrie hexagonale.

     

    Le prisme hexagonal est la forme la plus simple d'un cristal de glace. Cette forme minimise l'énergie, du fait de l'agencement particulier des molécules d'eau dans la structure cristalline. En particulier les faces planes sont énergétiquement favorables. On note déjà que ces cristaux simples peuvent appartenir à des familles différentes des classifications, selon qu'ils sont plus ou moins allongés sur l'axe c (voir la figure précédente). Un cristal étiré sur l'axe c est plutôt du type colonne, tandis qu'un cristal dont les dimensions sont plus grandes sur les axes a est de la forme plaquette.

  3. Evolution des cristaux simples :
  4. La croissance des cristaux se fait à partir d'une forme simple. Mais une évolution vers des structures très compliquées se fait le plus souvent.


    L'une des explications de ce phénomène est liée à la diffusion des molécules d'eau dans l'air pour atteindre la surface du cristal. Considérons une surface de glace plane (une des faces du prisme de départ), sur laquelle apparaît une bosse. Celle-ci pénètre plus loin dans le milieu saturé en vapeur d'eau. Elle atteint donc des régions où la concentration en vapeur d'eau est plus élevée (point A sur la figure) que sur le reste de la surface (point B). Ceci a pour effet d'accélérer la croissance de cette bosse. C'est l'instabilité de Mullins-Sekerka. Elle à pour conséquence que le cristal tend à évoluer vers des formes compliquées, car elle favorise l'apparition d'irrégularités. Les angles du cristal de départ donnent naissance à des branches, qui à leur tour deviennent instable par le même mécanisme. La formation de cristaux dendritiques est alors favorisée.

    L'évolution de la structure des cristaux de neige est aussi liée à la façon dont les molécules d'eau s'attachent à la surface. Les molécules s'accrochent avec une plus grande efficacité sur les angles d'un cristal. Les arêtes du prisme hexagonal de départ ont donc tendance à se développer plus vite que les faces. On voit alors se former des cristaux prismatiques dont les faces sont creusées.

     

     

     

     

     

  5. Influence de différents paramètres sur la forme, complexité des formes :
  6. Les différentes classifications montrent bien la complexité et la diversité de forme des cristaux. L'existence d'une telle quantité d'aspects est due à l'influence de plusieurs paramètres lors de la croissance des cristaux. Les plus importants sont la température et la saturation de l'air en vapeur d'eau. Dans une moindre mesure, le champ électrique joue un rôle dans la forme des cristaux.

     

     

    a. Rôle de la température et de la saturation :

    La température et la concentration en vapeur de l'air ont une incidence sur la formes des cristaux. Elles peuvent en effet favoriser un des mécanismes de croissance et donc aboutir à la production d'une forme particulière de cristaux. Le diagramme de phases ci-dessous montre quelles structures sont favorisées pour une température et une saturation de croissance données.

     

     

     

    On constate là encore que l'image que nous avons du cristal de neige en étoile est erronée. Ce type de cristal ne domine pas le diagramme ci-dessus. On constate même que sa croissance se fait pour des pressions de vapeur saturante plus fortes que celle de l'eau. Or c'est cette pression de vapeur qui règne le plus souvent dans un nuage, puisque celui-ci contient des gouttelettes d'eau. On ne devrait donc jamais voir de cristaux en étoile (appelés dendrites dans le diagramme). Pourtant on observe bien dans la nature la formation de cristaux de ce type. On l'explique par le mouvement des cristaux dans le milieu où ils se forment qui augmente le niveau effectif de la pression de vapeur, et lui permet d'atteindre la valeur suffisante pour la formation d'étoiles.

     

     

     

     

     

    b. Champ électrique :

    Des expériences en laboratoire ont également mis en évidence l'influence d'un champ électrique sur la croissance des cristaux. Ceci est lié au fait que la molécule d'eau est polarisable.

    Un champ électrique a par exemple pour effet d'accélérer la croissance des cristaux dendritiques, il peut faire apparaître des bifurcations aux extrémités des branches d'un cristal, ou encore rendre la croissance complètement erratique (voir les images ci-dessous).

     

     

     

  7. Complexité et variété de formes :

Nous avons vu que plusieurs paramètres gouvernaient la croissance des cristaux. Le diagramme de phase nous indique quels types de cristaux se forment dans des conditions données. Mais les conditions dans lesquelles se trouvent un cristal évoluent bien sûr au cours de sa croissance. Il est transporté par le vent et traverse des régions où la température, la pression de vapeur, le champ électrique sont susceptibles de varier, favorisant ainsi différents mécanismes de croissance lors de la formation. C'est ce qui explique l'immense diversité des formes des cristaux de neige.

Un cristal typique pèse 10-6g et contient donc environ 1016 molécules d'eau. Supposons maintenant qu'il tombe chaque année l'équivalent en neige d'une couche d'eau liquide de 1cm sur toute la surface de la Terre, et cela depuis trois milliards d'années. Cela représente 1029g de neige soit environ 1035 cristaux. Le nombre de façons d'arranger 1016 molécules d'eau est bien sûr beaucoup plus grand que 1035. Il est donc fort probable qu'il n'y ait jamais eu deux cristaux de neige identiques.

 

  1. Evolution du manteau neigeux - avalanches :

Le manteau neigeux subit une évolution au cours de l'hiver et du printemps. Plusieurs couches de neige aux propriétés différentes se trouvent rapidement superposées. La forme des grains et leur densité évoluent : au moment où elle se dépose, la neige est constituée de cristaux très variés. Quelques jours plus tard, on ne retrouve que des morceaux des formes initiales lissés et arrondis ; on parle de "particules reconnaissables". Plus tard encore, on ne retrouvera plus que de petits grains ronds de quelques dixièmes de millimètres de diamètre.

Ces transformations sont dues à des actions mécaniques : au fur et à mesure qu'elles s'enfouissent, les couches de neige doivent supporter le poids des couches supérieures, ce qui provoque une destruction des cristaux, accélérées par le vent au encore le damage.

Il y a également des mécanismes thermodynamiques qui entrent en jeu : il y a le métamorphisme d'isothermie, le frittage, le métamorphisme de gradient et le métamorphisme de fonte.

En modifiant les propriétés mécaniques du manteau neigeux, ces métamorphoses sont à l'origine du déclenchement des avalanches. Il y a trois grands types d'avalanches qui correspondent schématiquement aux différentes étapes de la vie de la neige : l'avalanche de poudreuse, l'avalanche de plaque et l'avalanche de fonte.

  1. Neige fraîche :
  2. Dans la neige fraîche, les cristaux sont enchevêtrés les uns dans les autres, ce qui permet au manteau de tenir sur des pentes assez raides : c'est la cohésion de feutrage. Il n'y a pas encore d'eau entre les cristaux pour alourdir la neige.

     

     

    Mais cet équilibre est instable : la moindre perturbation ou tout simplement l'alourdissement par la neige qui continue de tomber suffit à déclencher le glissement qui donne lieu à des avalanches de poudreuse, les plus dangereuses et les plus fréquentes (80% des avalanches environ). Elles peuvent atteindre jusqu'à 300 km/h et acquièrent une énergie considérable.

    Une fois le mouvement déclenché, cette neige très légère et sèche se mélange à l'air et s'écoule comme un gaz lourd.

     

     

  3. Métamorphisme isotherme :
  4. La métamorphose d'isothermie s'observe lorsque les variations de température au sein de la couche de neige sont faibles. La modification de la forme des grains est due au fait que l'énergie superficielle dépend de la courbure de la surface des cristaux, et qu'elle tend à s'uniformiser ; la pression de vapeur saturante augmente avec la courbure. Il y a donc transfert de matière des zones convexes vers les concavités par sublimation. Les arêtes et zones à forte courbure des grains s'émoussent, les creux et points de contact entre les grains se colmatent, les plus petits grains disparaissent. Finalement, les aiguilles, plaquettes ou étoiles et les cristaux brisés deviennent de fins grains à peu près sphériques d'un diamètre assez uniforme (0.5 à 1 mm).

     

     

     

     

    Il s'ensuit un tassement spontané de la couche sous l'effet de son propre poids, ce qui entraîne la disparition de la cohésion de feutrage. Ce phénomène est à l'origine d'avalanches de poudreuse, ne se déclenchant que quelques jours après les chutes de neige.

  5. Frittage :
  6. Parallèlement à la métamorphose d'isothermie, un autre phénomène se développe à mesure que les grains s'arrondissent : des ponts de glace apparaissent entre les grains, les liant en structure cohérente : c'est le frittage. Ce phénomène redonne une cohésion à la neige, qui devient une masse beaucoup plus compacte et rigide. Delsol a calculé en 1977 que, pour atteindre une même cohésion, il suffit de quelques minutes pour des grains de 0.1 mm alors qu'il faut plusieurs heures s'ils ont 1 mm et même plusieurs années dans le cas purement théorique où ils feraient 10 mm de diamètre. La température n'a que très peu d'influence sur la vitesse de frittage pourvu qu'elle reste négative. Ce phénomène est à l'origine des plaques à vent : ces plaques de neige dures sont formées par le dépôt de neige sur les pentes sous le vent qui, en la transportant, brise les cristaux, ce qui diminuent fortement leur taille et assure une forte cohésion. La neige à très forte cohésion va se comporter comme un solide plus ou moins accroché sur la pente par ses ancrages supérieurs, latéraux et inférieurs ; si la sous-couche est mauvaise (neige glacée, grains fins moins soudés que ceux de la plaque, givre), l'ancrage inférieur est déficient : il y a alors une avalanche de plaque. La configuration du terrain joue un rôle important : les ruptures se produisent en général sur les convexités du terrain où la neige est soumise à de fortes tractions. Les plaques glissent alors avec une vitesse "modérée" : environ 100 km/h.

     

  7. Métamorphisme de gradient :
  8. Parmi les phénomènes qui contribuent à créer une mauvaise sous-couche sous les plaques, il y a le givre de profondeur, se présentant sous forme de gros cristaux creux (le manteau de neige ne change pas de densité) que l'on appelle "neige pourrie". Les cristaux ayant la forme de pyramides striées, on parle de "gobelets". Ils sont très fragiles et leur effondrement sous le poids des couches supérieures risque de déclencher des avalanches.

    Leur formation qui nécessite souvent une à plusieurs semaines résulte du "métamorphisme de gradient" : lorsque la température dans le manteau neigeux n'est plus uniforme, ce ne sont plus les courbures qui contrôlent le métamorphisme mais les différences de température. L'existence d'un gradient négatif dans la neige est assez fréquente car cette dernière est un bon isolant thermique à cause de l'air qu'elle renferme : il y a apport d'énergie par le sol (flux géothermique), ce qui permet à la base du manteau de ne descendre pratiquement jamais en dessous de 0°C dès que l'épaisseur est suffisante (plus de 50 cm) ; la surface, quant à elle, peut se refroidir énormément en s'équilibrant avec l'air ambiant. Les différences de température entre deux points voisins provoquent des différences de pression de vapeur saturante. Mais contrairement au métamorphisme d'isothermie, les transferts de matière qui en découlent ont une direction bien définie : il y a sublimation de la partie supérieure de chaque grain et condensation sur la partie inférieure plus froide de quelques grains placés au-dessus.

     

     

    La taille et la forme des cristaux obtenus dépendent de la température : ils sont d'autant plus gros que l'on se rapproche du zéro, c'est-à-dire du sol. Un grand nombre de cristaux disparaissent entièrement. Au cours de ce processus, des facettes planes apparaissent sur les grains arrondis. Elles se développent jusqu'à donner de gros cristaux aux formes géométriques non soudés les uns aux autres : c'est le givre de profondeur. Lors des premières chutes de neiges de la saison souvent suivies d'une longue période sans précipitation, la neige reste très froide en surface mais sa base est réchauffée par le sol en général jusqu'au point de fusion. Il apparaît alors une couche de givre de profondeur pouvant se maintenir tout l'hiver (les gobelets étant insensibles au processus d'isothermie à cause de leur grande taille) et la neige qui s'accumule par la suite est instable. Cette situation favorise les avalanches de plaque.

     

     

    Cette métamorphose ne se produit que si le gradient thermique est supérieur à 0.25°C par cm, d'où l'importance des profils de température relevés dans le cadre de la prévention des avalanches. Si le gradient est plus faible, il renforce au contraire la cohésion de la neige en accélérant le frittage.

     

  9. Métamorphisme de fonte :

Une autre forme de givre, le givre de surface, permet aussi de créer une sous-couche instable pour les précipitations ultérieures. Il se forme pendant les nuits froides et claires par un processus similaire à celui de la rosée : les nuages ne réfléchissent pas vers la terre le rayonnement infrarouge émis par le manteau neigeux qui se comporte comme un corps noir. Cette déperdition d'énergie est tellement forte que la surface de la neige se refroidit d'une dizaine de degrés, entraînant la condensation de la vapeur d'eau en cristaux verticaux : le givre de surface. Une fois cassés et couchés par la chute de neige suivante, les cristaux forment un plan de glissement très favorable aux avalanches.

Le comportement de corps noir de la neige conduit au métamorphisme de fonte. L'alternance des cycles gel-dégel est souvent à l'origine de cette transformation. Le dégel fait fondre en premier les cristaux les plus petits ; l'eau libérée occupe les interstices entre les gros cristaux qui n'ont fondu que superficiellement et les relie par capillarité. Au regel (la nuit par exemple), on obtient de gros cristaux polygranulaires sans cohésion.

 

 

Si la teneur en eau devient importante, la température d'équilibre entre les phases liquides et solides dépendent du rayon de courbures des grains ; cela crée un déséquilibre et les petits grains dont la température de fusion est plus basse fondent au profit des gros. De plus, la surpression due au poids de la neige au niveau des contacts entre les grains frittés ou soudés par le regel fait baisser localement la température de fusion. La glace fond plus vite entre les grains liés. Les couches de neige soumises à une forte saturation en eau vont avoir tendance à perdre toute cohérence et constitueront d'éventuels plans de glissement pour les avalanches. L'eau s'écoule à travers la neige et s'accumule au-dessus des couches imperméables (sol ou couches de regel). C'est donc à la base du manteau que la perte de cohésion commence.

Les avalanches de fonte peuvent mettre en jeu des masses énormes de neige si la fusion a atteint toute l'épaisseur du manteau. Elles s'écoulent lentement (30 km/h) mais ont une puissance considérable, capable de tout écraser sur leur passage. Elles se déclenchent essentiellement au printemps, quand le rayonnement solaire est plus intense et l'albédo de la neige (proportion du rayonnement solaire qu'elle réfléchit) est plus faible. Elles ont souvent lieu en fin de journée après avoir emmagasiné un maximum d'énergie.

 

 

 

 

Conclusion :

Entre leur formation, leur chute et leur fonte, les cristaux ne cessent de changer de forme sous l'action de processus thermodynamiques et mécaniques. Cette évolution se répercute sur le comportement des couches du manteau neigeux dont les propriétés varient considérablement au cours du temps. Nous avons vu que l'une des conséquences de ce phénomène réside dans l'existence de trois grands types d'avalanches qui font l'objet d'un très grand nombre d'études : elles font en effet chaque année des dizaines de victimes. Si les résultats de prévision restent aujourd'hui encore assez décevants, les recherches ont tout de même permis de modéliser simultanément l'ensemble des processus affectant la neige. Dans un proche avenir, les progrès les plus rapides viendront probablement de l'amélioration des moyens de mesures et du développement de modèles statistiques locaux.

 

 

Bibliographie :

Encyclopédie universalis / D.Marbouty, an experimental study of temperature gradient metamorphism, compte rendu du colloque Snow in motion, 1979 / D. Marbouty, A. Martin, étude du frittage en présence d'un faible gradient de température, compte rendu du 16eme congrés de météorologie de France, 1980 / Site internet de Caltech / K. Fadel, Neige, glisse et ski…, Revue du Palais de la découverte, janvier 1999 /