Neige - Définition

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Introduction

Paysage enneigé au col de Shipka en Bulgarie.
Neige dans le Luberon.

La neige est une forme de précipitation, constituée de glace cristallisée et agglomérée en flocons pouvant être ramifiés d'une infinité de façons. Puisque les flocons sont composés de petites particules, ils peuvent avoir aussi bien une structure ouverte et donc légère qu'un aspect plus compact voisin de celui de la grêle. La neige se forme généralement par la condensation de la vapeur d'eau dans les hautes couches de l'atmosphère et tombe ensuite plus ou moins vite à terre selon sa structure.

Les canons à neige produisent de la neige artificielle, en réalité de minuscules grains proches de la neige fondue. Cette technique est utilisée sur les pistes de ski intérieure, mais aussi dans les stations de sports d'hiver pour améliorer l'état des pistes.

Des études récentes ont montré que certaines bactéries (dites glaçogènes ) jouent un rôle important dans la formation des cristaux de glace ou de neige. Ces bactéries sont normalement épiphytes (pseudomonas sp. par exemple) mais peuvent parfois être pathogènes. Elles sont identifiées dans de nombreux échantillons de neige en France, en Amérique du Nord et en Antarctique.

Aspects physiques

Historique

Kepler fut l’un des premiers scientifiques à s’intéresser à la formation des flocons. Il rédige en 1611 un traité, L’Étrenne ou la neige sexangulaire. Vers 1930, le japonais Ukichiro Nakaya forme ses propres flocons dans des conditions expérimentales, fixant la température et la saturation en eau. Il s’aperçoit alors que la forme des cristaux dépend de ces deux paramètres. En 1935, Tor Bergeron développe la théorie de croissance des flocons à partir de la cannibalisation des gouttes d’eau surfondues appelée l’effet Bergeron.

Diversité

Cristaux de neige, photographiés par Wilson Bentley (1865-1931)

Dans un nuage très froid, la vapeur d’eau se condense directement en cristaux de glace sur des particules en suspension (poussières, fumée…). S'ils ne rencontrent que des couches d’air de température inférieure à 0 °C pendant leur chute, les cristaux s’agglutinent et se combinent pour former des flocons de plus en plus larges. L’assemblage de ces cristaux dépend essentiellement des températures. La seule caractéristique commune à tous les cristaux est la structure hexagonale liée à l’angle de 120° de la molécule d’eau. Elle provient d’une minimisation de l’énergie potentielle chimique du cristal.

La forme des cristaux varie en fonction de la température, mais aussi du degré d’humidité :

  • de 0 à -4 °C : minces plaquettes hexagonales ;
  • de -4 à -6 °C : aiguilles ;
  • de -6 à -10 °C : colonnes creuses ;
  • de -10 à -12 °C : cristaux à six pointes longues ;
  • de -12 à -16 °C : dendrites filiformes.

La densité de la neige fraîchement tombée est très variable. Cette variation dépend du type de cristaux favorisés par la température dans la couche où la neige se forme, et du vent qui est un facteur limitatif à leur croissance. De plus, la température de l'atmosphère variant avec l'altitude, on a généralement une variété de types de flocons. Finalement, la friction près du sol par le déplacement dû au vent va briser certains cristaux et ainsi modifier le rapport entre la masse des flocons et l'air contenu dans la congère.

Les statistiques donnent une moyenne de 110 kg par mètre cube, avec un écart type de 40 kg qui confirme le caractère dispersé de ce critère. Le rapport entre la hauteur d'eau dans un nivomètre provenant la masse de neige et la hauteur mesurée au sol de cette neige est ainsi souvent donné comme 1 mm pour 1 cm (rapport 1:10). Cependant, des études canadiennes et américaines montrent que ce rapport varie entre 1:3 (température très élevée) et 1:30 (temps très froid).

Cycle de vie d'un cristal

La formation et l'évolution des cristaux intègrent :

  • Les multiples degrés de liberté d'association chimique des molécules d'eau ; l'expression de ces possibilités est favorisée par la relative lenteur de cristallisation : une dizaine de minutes à quelques heures. Ceci est à la base de l'extrême diversité des formes créées.
  • Les diverses conditions météorologiques rencontrées entre la formation et la disparition :
    • conditions du niveau de formation, avant précipitation
    • conditions des couches atmosphériques traversées
    • conditions au niveau du sol, s'il est atteint.

La faiblesse des liens entre molécules d'eau rend ces cristaux très sensibles à toute modification de leur environnement. On peut considérer le cristal de neige comme instable et qu'il doit être en phase de cristallisation pour conserver sa forme, si bien que des recombinaisons se produisent dès que celle-ci s'interrompt. Cette vive sensibilité rend difficile l'observation microscopique des cristaux sans précautions particulières.

Conditions du niveau de formation

Les paramètres des mouvements d'air ascendants conditionnent particulièrement la durée de cristallisation et les possibilités de pénétration dans des couches différentes par leur hygrométrie, température, pression, ... À ce niveau, des cristaux peuvent fondre, se sublimer, se combiner, mais aussi se trouver recouverts d'eau en surfusion ; les cristaux se couvrent de nodules d'abord invisibles mais qui peuvent dans certains cas leur donner un aspect de « fleur de mimosa ».

Même si l'air n'est pas ascendant, la résistance qu'il oppose parfois demande l'agglomération de plusieurs cristaux avant que la précipitation ne se déclenche.

La neige commence sous un nuage cumulonimbus où la température est d'environ 1 à 2 degrés. En tombant, elle se cristallise lorsqu'elle passe une zone de °C ou moins.

Conditions de la précipitation

La turbulence et l'hygrométrie vont en particulier régir la disparition (fonte ou sublimation) des cristaux et des flocons ou au contraire leur agglomération progressive. Des flocons partiellement liquéfiés peuvent également subir une cristallisation brutale à la rencontre d'une atmosphère plus froide ; si le phénomène est massif, on parle de grésil.

La variation des paramètres météorologiques avec l'altitude se caractérise tout spécialement par la détermination de la fameuse limite pluie/neige.

Conditions de cristallisation au sol

Sous les latitudes tempérées (sol « chaud »), le fort pouvoir isolant de la neige associé encore à l'albédo rend possible la création rapide d'un gradient thermique entre le sol chaud et isolé et la surface réfléchissante froide ; il peut atteindre 20 degrés. Or on constate que les cristaux d'une couche de neige, dans un gradient de température, rentrent dans un processus de recristallisation se traduisant par un accroissement de la taille moyenne des cristaux. De ce point de vue, on considère qu'une épaisseur de quinze centimètres suffit à l'établissement d'un gradient.

Les conditions de cristallisations étant bien différentes de celles de la haute atmosphère, la cristallisation au sol produit des formes nouvelles mais moins élaborées.

Autres conditions au sol

Celles-ci ne peuvent être schématisées ; il suffit de penser à la diversité tant des quantités de neige que des variations météorologiques pour imaginer les innombrables possibilités de dissipation des cristaux. Chaque communauté humaine, en fonction de ses impératifs, dispose d'une culture propre à décrire les formes typiques de ces éventualités.

Évolution du manteau neigeux

Une neige subite.

Selon le profil de température que doit parcourir le flocon entre sa formation et son arrivée au sol, on aura un ou des types de cristaux favorisés. Lorsque le profil est assez chaud et humide, on aura formation de gros flocons qui emprisonnent peu d'air et donne de la neige très dense. Le rapport entre le nombre de centimètres accumulés dans ce cas et l'eau qu'ils contiennent est très faible, de l'ordre de 4 à 8 mm de neige pour 1 mm d'eau. Par température froide, l'inverse se produit et on peut facilement obtenir un coefficient de 25:1 pour la neige poudreuse. La moyenne climatologique est de 10:1, soit 1 cm de neige pour 1 millimètre d'eau contenue.

La neige fraîchement tombée est sujette à l'action du vent, surtout si elle est très légère. Ceci donne la poudrerie au Canada, appelée ailleurs chasse-neige élevée, et dans un cas extrême le blizzard. Elle peut se concentrer en dunes nommées bancs de neige (Canada) ou congères (Europe). Ce n'est pas le cas de la neige de printemps, compacte et riche en eau, amenée à fondre sur place. En montagne, le vent est à l'origine de corniches qui peuvent piéger les randonneurs.

La neige n'est pas un matériau inerte. Elle est au contraire en constante évolution et ne cesse de se transformer, soumise à l'action de son propre poids qui la tasse, ainsi qu'aux différences de températures entre le jour et la nuit. Si la pente est raide, le manteau peut devenir instable et générer des avalanches.

La métamorphose d'isothermie

Elle se déroule lorsque le gradient thermique au sein de la couche est faible, inférieur à 5 °C par mètre. À cause des déséquilibres de vapeur saturante, les dendrites se détruisent au profit du centre du cristal. Les cristaux s'arrondissent et leur taille se calibre. On les appelle grains fins. Les contacts ainsi créés entre eux correspondent à la formation de ponts de glace qui soudent les cristaux les uns aux autres. C'est le phénomène de frittage. La couche de neige gagne en cohésion et en densité.

La métamorphose de gradient moyen

Elle apparaît quand le gradient thermique au sein de la couche est compris entre 5 et 20 °C par mètre. On observe également un transfert de matière par sublimation / congélation mais la direction privilégiée est la verticale, du bas vers le haut. Les cristaux se transforment en grains à face planes.

La métamorphose de gradient fort

Lorsque le gradient thermique est supérieur à 20 °C par mètre, le flux de vapeur au sein de la couche de neige devient très fort. Après une dizaine de jours, il y a apparition de gobelets, ou givre de profondeur, qui peuvent atteindre plusieurs millimètres de diamètre. Le manteau devient alors très instable, se trouvant sur un véritable roulement à billes.

La métamorphose de fonte

Elle se traduit par l'apparition d'eau liquide au cœur du manteau neigeux. Elle est provoquée par une chute de pluie ou un redoux prolongé. Il se forme des agglomérats dits grains ronds (« gros sel ») qui rendent le manteau neigeux très instable.

Le fait d'hydrater la neige ne provoque pas nécessairement sa fonte immédiate.

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