Comment un flocon de neige se transforme en avalanche

Rencontrez les ingénieurs en avalanches du laboratoire Subzero.

Ce sont leurs réponses :

Quelles sont les causes des avalanches ?

Tout d’abord, la structure du manteau neigeux doit être adaptée. Cela signifie qu’il doit y avoir une sorte de couche faible ou d’interface faible dans le manteau neigeux. Lorsque nous avons ces jours assez chauds et ensoleillés en montagne – sous le point de congélation, mais le genre de jours où tout le monde aime skier – l’énergie solaire à ondes courtes que le soleil émet peut en fait pénétrer et réchauffer le manteau neigeux, de quelques centimètres de profondeur. Simultanément, il y a un effet de refroidissement qui agit directement sur la surface de la neige, qui se trouve à côté de l’air froid. Imaginez que la surface du manteau neigeux essaie de se refroidir alors que quelques centimètres plus bas, la neige essaie de se réchauffer. Nous obtenons donc cette différence de température. La nature essaie constamment d’égaliser les différences de température. Comme la configuration originale et solide des flocons de neige est si isolante, le mouvement de la chaleur du point chaud vers la surface froide est lent mais continu. Ce mouvement de chaleur à l’intérieur du manteau neigeux prélève également de la vapeur d’eau sur les cristaux du point chaud. La vapeur d’eau s’écoule jusqu’à ce qu’elle atteigne le point froid, puis elle se condense, mais sous forme de glace, en un nouveau flocon de neige.

Une fois que le manteau neigeux s’est stabilisé, nous simulons une nouvelle tempête ou de la neige soufflée par le vent, créant ainsi une dalle.

Cela réarrange les cristaux de neige dans une zone de 2 centimètres. Nous n’ajoutons pas de neige, nous n’enlevons pas de neige, mais nous prenons la structure qui se trouve là et nous utilisons le mouvement de vapeur résultant de cette différence de température pour réorganiser la microstructure de la neige en une voie plus efficace pour le mouvement de la chaleur. Malheureusement, cela produit également une structure mécaniquement plus faible. Ensuite, cette couche faible est finalement enterrée par une couche plus solide, que nous appelons une dalle (‘slab’). La dalle est une couche de neige dure et cohésive qui peut être très grande, couvrant toute la face d’une montagne. Et maintenant, elle repose sur une fondation faible. C’est comme si on construisait une maison sur une fondation de pommes de terre.

Enfin, un déclencheur, comme un skieur, un surfeur ou un motoneigiste, exerce une force ou une contrainte suffisante sur le manteau neigeux pour briser la couche de neige et faire en sorte que la dalle commence à passer par-dessus en descendant. Parfois, une avalanche de plaque peut se briser sur plusieurs centaines de mètres de large.

Une dalle est-elle nécessaire pour une avalanche ?

La plupart des avalanches mortelles que nous voyons sont des avalanches de dalle. Si la neige de la couche faible n’est pas assez cohésive, nous pouvons encore avoir des avalanches de neige libre. Elles peuvent encore générer beaucoup d’énergie, mais comme elles ne se collent pas ensemble, vous n’allez pas vous y amuser autant.

Comment commence-t-on à faire des recherches sur les avalanches ?

Nous commençons en fait une grande partie de notre travail sur le terrain, en observant les conditions qui forment les couches faibles. Nous avons quelques stations de terrain près de Big Sky, dans le Montana, dans une des stations de ski privées, le Yellowstone Club. La patrouille de ski qui s’y trouve est assez aimable pour sortir quotidiennement et, en gros, pour prendre des notes sur ce qui se passe avec le manteau neigeux. Une fois que nous aurons déterminé les jours qui créent les couches faibles, nous pourrons prendre ces conditions et revenir à notre laboratoire.

Que faites-vous dans le laboratoire ?

Nous recréons les conditions que nous voyons à l’extérieur. Nous pouvons contrôler la quantité de lumière du soleil dans le laboratoire avec une lampe aux halogénures métalliques, et recréer les conditions du ciel en contrôlant la température du plafond du laboratoire et la température de l’air. De là, il suffit de placer un échantillon de neige sous la lampe et d’y faire passer une journée entière de soleil. Pendant ce temps, nous prélèverons de petits échantillons de neige et analyserons sa microstructure dans notre micro scanner CT, qui produit une image en 3D de la structure de la neige. Une fois la lampe éteinte et le manteau neigeux déposé, nous simulons une nouvelle tempête ou de la neige soufflée par le vent, créant ainsi une dalle.

Lorsque la neige est plus facile à fracturer, les avalanches sont beaucoup plus susceptibles de se produire avec des déclencheurs plus légers et plus sensibles.

Pour simuler une avalanche, nous encastrons un cadre métallique à l’intérieur de la couche supérieure de la dalle de neige afin d’avoir quelque chose sur quoi appuyer, et nous isolons une colonne afin de savoir exactement à quelle quantité de neige nous avons affaire. Ensuite, nous poussons sur la neige jusqu’à ce qu’elle tombe en panne. Cela nous indique quelles étaient les propriétés mécaniques efficaces de la couche de dalle et de la couche faible.

Ensuite, c’est là que je peux m’asseoir devant mon bureau pendant bien trop d’heures, en regardant des microscanners ou des images en 3D de la microstructure. Nous utilisons différents modèles pour essayer de comprendre comment et pourquoi nous avons obtenu les propriétés efficaces que nous avons obtenues.

Pourquoi les liens entre les flocons de neige sont-ils importants ?

Les liens sont ce qui relie deux ou plusieurs flocons de neige individuels ou grains de neige ensemble. Si nous avons deux grains de neige d’un demi-millimètre de diamètre chacun, je pourrais appeler la zone qui relie ces deux grains ensemble, peut-être un quart de millimètre de diamètre, une sorte de pont ou de lien. Il s’agit d’un morceau de glace continu, mais il y a cette restriction ou ce rétrécissement qui est une zone de liaison. Les grains arrondis ont tendance à former un manteau de neige cohésif, et sont généralement associés à des dalles. L’orientation des liaisons est alors aléatoire, sans orientation préférentielle. Lorsque nous entrons dans des couches de neige à facettes, les liaisons peuvent commencer à s’organiser selon un modèle particulier. Nous pensons que lorsque les liaisons entre les grains de neige sont orientées de manière aléatoire, il est difficile de propager une fracture à travers la neige – il n’y a pas de chemin clair et évident au sein de la microstructure. Cependant, dans une couche de neige faible et à facettes, l’alignement des liaisons selon un motif peut fournir un chemin rapide, droit et facile pour la propagation des fractures, conduisant ainsi à une défaillance totale de la couche avec beaucoup moins d’énergie. Lorsque la neige est plus facile à fracturer, les avalanches sont beaucoup plus susceptibles de se produire avec des déclencheurs plus légers et plus sensibles.

Quel sera l’effet de vos travaux sur les prévisions ?

Si nous pouvons prédire les propriétés mécaniques de la neige, ainsi que l’affaiblissement ou l’augmentation de la force de la neige par rapport à son état initial, cela peut aider à la prévision. Une de mes collègues, Patricia Curley, étudiante en génie mécanique, travaille sur un modèle très cool qui utilise une carte numérique du terrain, comme Google Earth, et les conditions météorologiques pour modéliser un manteau neigeux. Dans ce modèle, nous pouvons suivre le mouvement du soleil dans le ciel, voir comment les ombres affectent certaines pentes et connaître les températures, tant à la surface du manteau neigeux que sous la surface. Son modèle peut cartographier les endroits où nous obtenons ces températures critiques, ou les gradients de température qui forment des couches faibles. Nous pouvons alors commencer à prévoir les couches faibles pour des montagnes spécifiques – pas seulement deviner à quel point ces couches sont faibles, mais être capable d’y mettre un chiffre. Il s’agit peut-être de 50 ans, ou 100 ans, mais je pense que nous pouvons y arriver. Nous pouvons dire : « Vous vous souvenez de cette couche faible qui s’est formée il y a une semaine, et puis de la tempête qui est arrivée ? Eh bien, cette tempête a chargé cette couche faible à 50 % de sa force. » Ainsi, le poids d’un skieur ne déclenchera peut-être pas cette avalanche, mais un motoneigiste, oui.

Via Nautilus

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