I. Lien entre la neige et les avalanches :
1. D'où vient la neige?
a) Formation des cristaux de neige
Les cristaux de neige fraîche se forment dans les nuages à partir de la vapeur d'eau qui y est présente. Celle-ci se condense en glace au contact avec des impuretés telles que les poussières, les particules salines ou végétales qui se trouvent dans le nuage et qu’on appelle noyau de congélation. Ainsi naissent les germes de glace, point de départ des cristaux de neige fraîche. Ces germes de glaces vont en effet grossir grâce à la vapeur d’eau du nuage tout en respectant une symétrie hexagonale que l’on trouve dans tous les cristaux de neige fraîche. Les molécules d’eau 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.
Les formes de base des cristaux de neige
Une molécule d'eau qui s'approche du cristal est attirée par les molécules déjà en place, mais toutes les places ne sont pas équivalentes. Si le cristal est plan, s'il s'étale à deux dimensions, les sites accessibles sur le bord du plan offrent plus de possibilités d'accrochage que les sites situés au milieu du plan, donc la molécule s'y logera plus facilement, et la croissance plane continuera. En outre, le problème majeur de la croissance cristalline est celui de l’évacuation de l’énergie libérée par la congélation, et on peut concevoir qu’une structure pointue offre plus d’espace autour d’elle pour évacuer cette énergie qu’une ligne droite ou qu’une surface plane. Ainsi s’explique le fait que le cristal se développe dans un plan et émet des pointes qui se ramifient elles-mêmes, en respectant les directions cristallographiques de la glace, qui sont celles de l’hexagone.
La ramification des branches des cristaux : un moyen de libérer de l'énergie
Par la suite, les cristaux de neige vont évoluer en fonction des paramètres présents dans leur milieu : ceux-ci sont la température, la saturation de l’air en vapeur d’eau et le champ électrique.
En effet, entre –6°C et –10°C, la croissance des cristaux va s’effectuer verticalement, aboutissant à des formes d’aiguilles ou de colonnes hexagonales.
Vers –12°C, les petites faces auront tendance à se développer suivant un plan hexagonal : nous verrons apparaître des cristaux de type plaquette. Ensuite, jusqu’à –18°C, les arêtes vont se développer plus rapidement, ce dont résulte la formation de cristaux de neige en étoile ou dendrites. Si la température change au cours de la croissance du cristal, un autre type de grossissement s'enclenche et le cristal prend des formes complexes : ce sont des cristaux composites, c’est-à-dire des combinaisons de plaquettes, de colonnes, d'étoiles ou de dendrites.
De gauche à droite : cristal de neige composite, cristal de type plaquette et cristal de type dendrite
La saturation s’avère être également un facteur très important dans le cadre de la formation des cristaux de neige : en effet, plus celle-ci est importante, plus la forme du cristal sera complexe.
Enfin, le champ électrique, à savoir le champ de force résultant de l’interaction entre des charges électriques et un objet, aura pour conséquence d’accélérer la croissance du cristal, de créer des ramifications ou de favoriser la création de dendrites, comme le montrent les images ci-dessous :
Croissance de dendrites grâce au champ électrique
Du fait de la complexité de ces paramètres, il va donc résulter une variété de formes de cristaux, si bien que, d’après des études cristallographiques, il s’avère que chacun est unique !
Cependant, au cours de sa croissance le cristal de neige va s’alourdir, si bien qu’au bout d’un certain temps, il va commencer à tomber. Pendant sa chute, il va s’assembler à d’autres cristaux, formant ce qu’on appelle des flocons. Ceux-ci, du fait de la température et du vent, vont subir des modifications de forme, vont voir leurs branches se briser…Et, une fois au sol, les flocons vont s’accumuler et être à l’origine du manteau neigeux.
a) Evolution du manteau neigeux
Le manteau neigeux, formé par accumulation de la neige, évolue au fil du temps. Plusieurs couches de neige aux propriétés différentes s’accumulent et se superposent. En effet, les cristaux s’assemblent les uns dans les autres, ce qui permet au manteau de tenir sur des pentes assez raides: c'est la cohésion de feutrage.
Cohésion de feutrage entre deux dendrites
Le manteau neigeux se transforme en permanence, de son dépôt à sa fonte. La forme des grains et leur densité évoluent car la neige est constituée de cristaux très variés. En effet, quelques temps après son dépôt, les morceaux des formes initiales sont transformés : ils deviennent lissés et arrondis ; on parle alors de "particules reconnaissables". Quelques jours plus tard, ces cristaux évoluent encore : on n’observe plus que de petits grains ronds de quelques dixièmes de millimètres de diamètre. Ces transformations traduisent des actions mécaniques et thermodynamiques complexes à l'échelle des grains de glace.
Elles sont dues à des actions mécaniques : au fur et à mesure qu'elles s'accumulent, les couches de neige supérieures détruisent les couches de neige inférieures car elles brisent les branches des cristaux de neige lorsque ces derniers ne sont pas assez rigides. Dans ce cas, la moindre perturbation ou tout simplement l'alourdissement par la neige qui continue de tomber suffit à déclencher une avalanche de poudreuse, la plus dangereuse et la plus fréquente (80% des avalanches environ). Elle peut atteindre jusqu'à 300 km/h et possède une importante énergie. Lors du déclenchement d’une avalanche, cette neige très légère et sèche se mélange à l'air et s'écoule comme un gaz lourd.
D’autres mécanismes dits de « thermodynamiques » entrent en jeu :
- la métamorphose d'isothermie : les avalanches sont déclenchées lorsque la différence de température au sein de la couche de neige est faible. En effet, ceci est dû aux creux et points de contact entre les grains qui s’assemblent, ce qui entraîne la disparition des plus petits grains car les couches de neige sèches sont soumises à des phénomènes complexes de transfert de matière par sublimation et condensation. Il y a donc transfert de matière des zones convexes vers les concavités par sublimation car les arêtes et zones à forte courbure des grains s'émoussent, et les creux et les points de contact entre les grains se colmatent. Ce phénomène est à l'origine d'avalanches de poudreuse et se déclenche quelques jours après les chutes de neige.
- le frittage : en même temps que la métamorphose d'isothermie, un autre phénomène se développe au fur et à mesure que les grains s'arrondissent : ces derniers sont liés par des ponts de glace entraînant une structure « cohérente » : c'est le frittage. Ce phénomène assure à la neige une cohésion plus compacte et rigide qui est à l’origine des plaques à vent. En effet, ces plaques de neige dures sont formées par le dépôt de neige sur les pentes sous l'action du vent qui, en la transportant, brise les cristaux, ce qui diminue fortement leur taille et assure une forte cohésion. Si ces plaques arrivent sur une sous-couche trop fragile (neige glacée, grains fins moins soudés que ceux de la plaque, givre), la couche inférieure est déficiente, ce qui est dû au poids de la forte cohésion de la neige située sur la partie supérieure: il y a alors une avalanche de plaque.
cohésion de frittage
- le métamorphisme de gradient : parfois de gros blocs de neige creuse appelée "neige pourrie" se forment et créent une sous-couche instable. La formation d’une couche supérieure suffit à déclencher une avalanche à cause de l’instabilité des différentes strates neigeuses.
L'instabilité du manteau neigeux est souvent liée à la présence de cristaux en"gobelets"
Ainsi, il s'avère qu'en modifiant les propriétés mécaniques du manteau neigeux, deux grands phénomènes, à savoir les métamorphismes d'isothermie et de gradient, sont à l'origine du déclenchement des avalanches.
b) Conditions de déclenchement des avalanches
Il existe plusieurs facteurs déclenchant : l’épaisseur de neige, la cohésion de la neige, le caractère plus ou moins lisse du roc sous-jacent et la pente. Nous pouvons classer les avalanches selon le type de neige : l'avalanche de neige récente, l'avalanche de plaque dure, et l'avalanche de neige humide (ou de fonte).
- Avalanche de neige fraîche ou de neige récente : L’avalanche de neige fraîche se produit après d’importantes chutes de neige. Un amas de neige se détache et dévale les pentes, parfois à plus de 200km/h.
Précédée de son onde de choc, cette avalanche dévastatrice finit en nuage de neige, appelé également aérosol.
La neige fraîche mise en mouvement est de faible cohésion. Sa masse volumique est le plus souvent inférieure à 200 kg/m3.
Ces avalanches de neige fraîche se caractérisent :
- soit par un départ ponctuel : l'avalanche s'élargit vers l'aval (trace en forme de cône ou de poire),
- soit par une fracture linéaire : dans ce cas la cohésion de la neige est certes faible mais suffisante pour se comporter initialement comme une plaque friable.
Avalanche de neige fraîche
- Avalanche de plaque dure : L’avalanche de plaque résulte du dépôt par le vent de couches de neige compacte. Il suffit alors qu’un skieur passe pour provoquer une cassure et détacher la plaque.
La rupture initiale intéresse une neige de bonne cohésion, d'une densité de 200 à 400 kg/m3. La cassure, toujours très nette, se propage rapidement suivant une ligne brisée. L'instabilité de ces plaques est due essentiellement à la présence d'une sous-couche fragile. Leur fragile équilibre peut être rompu sous l'effet d'une faible surcharge.
Une variété de plaques, dites plaques à vent, se forme sous l'action du vent ou après une chute de neige. Brisés par le vent, les cristaux sont réduits en fines particules qui, en se déposant au sol, prennent rapidement une bonne cohésion. Ce phénomène explique également la formation de corniches aux voisinages des crêtes.
Les zones d'écoulement et d'arrêt de ces avalanches sont parsemées de blocs tabulaires de neige dure.
- Avalanche de neige humide : Ce type d'avalanche est directement lié à la présence d'eau liquide (fonte superficielle, pluie, etc.) au sein du manteau neigeux. La neige "mouillée" a une masse volumique élevée (350 à 500 kg/m3 en moyenne).
Ces avalanches se produisent au cours de réchauffements importants, accompagnés ou non de pluie. Les avalanches de neige humide les plus typiques sont les avalanches de printemps qui se produisent sur des pentes bien ensoleillées. Elles peuvent intéresser des versants ou être canalisées dans d'étroites zones appelées couloirs. Leur écoulement se rapproche de celui de la lave : les vitesses sont relativement faibles, de l'ordre de 20 à 60 km/h, mais ces avalanches ont un grand pouvoir d'érosion et, pour les plus importantes, une grande puissance dévastatrice. Les dépôts, parfois de plusieurs mètres d'épaisseurs, sont constitués de blocs informes de neige très dense. Il n'est pas rare d'en trouver des restes en bas d'un couloir, alors que le printemps est bien avancé.
Avalanche de neige humide
