3 – CONNAISSANCE DE LA NEIGE

3.1. – LA NEIGE NATURELLE ET SES MÉTAMORPHOSES

3.1.1. – Les processus de condensation

          3.1.1.1. – Les différents états de l’eau 

L’eau existe sous trois états encore appelés formes ou phases :

-  solide (glace)

-  liquide (eau)

- gaz (vapeur d’eau). La vapeur d’eau est un gaz incolore et invisible à ne pas confondre avec la buée qui, elle, est formée de microgouttelettes liquide.

Les passages d’un état à l’autre s’accompagnent d’absorption ou de dégagement de chaleur (chaleurs latentes).

 

 

 

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Fig. n° 1 : Les différents changements d’état de l’eau

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3.1.1.2. – La saturation

Dans l’atmosphère l’eau existe sous ses trois phases. Les nuages sont formés de gouttelettes ou de cristaux de glace, ou des deux à la fois. Ceux-ci apparaissent lorsque l’air est saturé en vapeur d’eau.

 

En effet, l’air ne peut pas contenir n’importe quelle quantité de vapeur d’eau. Cette quantité est limitée à une valeur qui dépend essentiellement de sa température. Cette valeur maximale de vapeur d’eau étant atteinte, toute quantité supplémentaire est alors condensée sous forme solide ou liquide.

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Remarque :

Plus une masse d’air est chaude, plus elle peut contenir de vapeur d’eau.

Imaginons une particule d’air dont la température est de + 20°C et contenant 9,5 g de vapeur d’eau par m3, elle n’est pas saturée. Si celle-ci subit un refroidissement (ascendance, contact avec un sol froid…), amenant sa température à + 10°C, elle devient alors saturée (cf. tableau). Si le refroidissement se poursuit jusqu’à 0°C par exemple, il s’en suivra une condensation du « trop plein » de la vapeur d’eau sous forme de gouttelettes et la quantité d’eau liquide présente dans la particule d’air sera alors de 5 g par m3 (9,5 g – 4,5 g).

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3.1.1.3. – Conditions de condensation liquide et solide

Pour qu’il y ait réellement condensation, la saturation en vapeur d’eau n’est pas suffisante. En effet, le phénomène n’a lieu que si il y a présence d’éléments microscopiques sur lesquels peut se produire la condensation. Ceux-ci sont de deux types :

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• Les noyaux de condensation :

Ce sont des particules d’un diamètre de 0,2 à 10 microns (sels, particules organiques, poussières industrielles,…).

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• Les noyaux de congélation :

D’un diamètre de l’ordre de 0,1 à 10 microns, ils se distinguent des noyaux de condensation par leur structure généralement cristalline. Celle-ci, comparable à celle de la glace, semble en effet permettre la cristallisation des gouttelettes d’eau aux températures négatives. Cependant, ces noyaux ne sont vraiment efficaces qu’au-dessous de – 12°C. En l’absence de tels noyaux, l’eau reste liquide. C’est le phénomène de surfusion.

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3.1.1.4. – Formation des cristaux de neige et grossissement

Les cristaux de neige se développent à partir de particules de glace élémentaires, de formes hexagonales, qu’on nomme germes.

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Parmi les gouttelettes d’eau en surfusion qui constituent le nuage, celles formées sur des noyaux de congélation ou entrant à leur contact subissent une congélation et donnent naissance à ces germes.

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Les gouttelettes surfondues environnantes qui s’évaporent au hasard des mouvements internes, fournissent de la vapeur d’eau supplémentaire au milieu. Ce surplus se condense alors en priorité sur le germe contribuant ainsi peu à peu à la croissance du cristal de glace.

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En résumé les cristaux de glace grossissent aux dépens des gouttelettes  surfondues. On peut ajouter que les plus petits cristaux auront tendance aussi à se sublimer au profit des plus gros…

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3.1.2. – La neige fraîche (symbole +)

3.1.2.1. – Les types de croissance

Le cristal initial ou germe est un cristal de forme hexagonale. Suivant les températures qui régneront pendant son grossissement, certaines de ses parties verront leurs croissances privilégiées (fig. n° 2).

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Les parties privilégiées :

-  Les bases. On aura alors des cristaux du type aiguille ou colonne.

-  Les faces latérales. Le type sera la plaquette.

-  Les arêtes. Le type sera alors celui bien connu de l’étoile.

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Selon leurs séjours dans une ou plusieurs plages de températures différentes, les cristaux de neige pourront avoir des formes diverses, parfois complexes, dues aux différents types de croissance subis à la suite de séjours dans des zones de températures différentes.

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LES DIFFÉRENTS TYPES DE CROISSANCE

(Fonction de la température)

 

 

 

 

 

 

 

 

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Fig. n° 2 : Les différents types de croissance à partir du germe de glace

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3.1.2.2. – Les différents types de cristaux

Les formes des cristaux obtenus qui dépendent des types de croissance subis peuvent faire l’objet d’une classification. Plusieurs existent mais celle établie par l’O.M.M. (Organisation Météorologique Mondiale) est la plus utilisée (fig. n° 3).

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Parmi les cristaux de cette classification, le cristal particulier qu’est la neige roulée, fréquente en hiver, nécessite quelques précisions supplémentaires.

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Ce type de neige est constitué de cristaux ayant traversé ou séjourné dans des masses nuageuses turbulentes formées de gouttelettes surfondues. Celles-ci, au contact du cristal, se sont congelées, provoquant ce qu’on appelle le givrage du cristal. Si ce phénomène dure assez longtemps le cristal disparaît complètement sous une gangue de petites particules sphériques de glace opaque et prend l’aspect d’une boule de « mimosa ».

 

 

 

 

 

 

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Fig. n° 3 : Tableau de classification des cristaux de neige fraîche

selon l’Organisation Mondiale de la Météorologie (O.M.M)

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Au sein du manteau neigeux de tels cristaux ne subissent que peu de transformation et constituent de par leurs formes sphériques et l’absence de cohésion, des plans de roulement et de glissement très favorables au déclenchement des avalanches.

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Il existe un autre cristal, non mentionné dans ce tableau et qui présente aussi un certain danger potentiel. Il s’agit du givre de surface.

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Lorsque le ciel est dégagé la nuit, la surface de la neige subit un refroidissement important. L’air situé à son contact se refroidit aussi et parvient parfois à la saturation en vapeur d’eau. Celle-ci se condense alors en paillettes de givre sur les cristaux de surface. Ceux-ci peuvent atteindre des dimensions de plusieurs cm. Couchées par les chutes de neiges ultérieures, elles pourront constituer aussi un plan de glissement idéal pour le déclenchement des avalanches.

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3.1.3. – Influence des conditions atmosphériques au cours des chutes de neige

Lorsque les cristaux de neige agglomérés en flocons sont suffisamment lourds pour vaincre les courants ascendants qui règnent dans le nuage (qq cm/s à qq m/s) ils tombent.

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Si les températures restent négatives jusqu’au sol, les flocons s’y déposent et persistent pour constituer le manteau neigeux.

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Mais lors de leur chute, les flocons vont subir l’influence de deux paramètres météorologiques importants : le vent et la température.

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3.1.3.1. – Action du vent

 

 

 

 

 

 

 

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fig4: Mécanisme de formation d'un pont de glace entre deux grains

Celui-ci va avoir une action mécanique importante sur les cristaux. Il augmente en effet les chocs, donc les cassures et par là même, la destruction des structures fragiles. C’est donc une neige très fragmentée qui se déposera dans les zones de calme. De plus ces petites particules se souderont entre elles par des ponts de glace nombreux (fig. n° 4). La neige ainsi obtenue sera très dense, très compacte, et rigide (plaque à vent).

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3.1.3.2. – Actions de la température

Sans vent, avec des températures basses (< - 5°C), les flocons ne subissent pas de forte transformation au cours de leur chute. C’est donc une neige peu dense qui se déposera au sol. Par contre, lorsque les températures sont proches de 0°C les cristaux de neige se modifient déjà au cours de la chute, parfois même ils peuvent s’humidifier (Tair > 0°C) et la masse volumique de cette neige peut être importante (100 à 200 kg/m3).

​

3.1.4. – Évolution et métamorphose de la neige au sol

Le manteau neigeux est un empilement de strates de neige composées de cristaux. Dans chaque couche les cristaux subissent jusqu’à la fonte finale une évolution propre qui est fonction des conditions atmosphériques passées et présentes.

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Les différents grains de neige naturelle tombée au sol :

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Symboles des types de grains fixant les principales étapes

 

On distingue deux types de métamorphoses:

• les métamorphoses de la neige sèche

• les métamorphoses de la neige humide

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Les métamorphoses de la neige sèche:
Une neige sèche est une neige qui ne contient pas d'eau liquide. Les différences de température dans une couche conditionnent de la neige sèche.

En pratique il existe trois types de métamorphoses de la neige en fonction des différences de température mesurées dans le manteau neigeux. Ces métamorphoses s'opèrent suivant des seuils donnés par le calcul d'une formule appelée gradient de température.

Fig. n° 6: Calcul du gradient vertical de température

Le schéma suivant synthétise les métamorphoses de la neige sèche.

Température neige < 0°C ET T.E.L. = 0 %

 

GT = Gradient de Température

FAIBLE GRADIENT      GT < 5°C/m
MOYEN GRADIENT      5°C/m < GT < 20°C/m
FORT GRADIENT        GT > 20°C/m

Les métamorphoses de la neige humide

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La neige est dite humide lorsqu’elle contient de l’eau liquide. C’est alors un mélange de glace, d’air et d’eau liquide. Quels que soient les cristaux ou grains de neige, lorsqu’ils sont humidifiés, ils s’arrondissent pour se transformer en « grains ronds ». La rapidité de cette transformation dépend de la quantité d’eau liquide présente.

Le schéma suivant synthétise les métamorphoses de la neige humide.

Température neige = 0°C ET T.E.L. > 0 %


 

3.2. – PROPRIÉTÉS PHYSIQUES DE LA NEIGE

La neige est un matériau poreux, mélange de glace, d’air et parfois d’eau liquide. Ce matériau possède des propriétés physiques spécifiques.

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3.2.1. – Définition des variables physiques de la neige

Fig. n° 1:Variation de la masse volumique de la neige fraîche selon la température et la vitesse du vent

La masse volumique de la neige peut varier entre 40 kg/m3, pour une neige fraîche froide et légère, et 600 kg/m3 pour une vieille neige de névé.

Fig. n° 2 : Répartition des masses volumiques selon les types de grain (d’après E. PAHAUT)
 

  3.2.1.2. – La teneur en eau liquide de la neige

La neige est dite humide lorsqu’elle contient de l’eau liquide. Elle est alors à 0°C. On détermine l’humidité de la neige en mesurant sa teneur en eau liquide (T.E.L.) volumique ou massique (en %).

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Masse d’eau liquide
______________________________________ = T.E.L. massique
Masse totale de neige (glace, eau liquide, air)

                                         

Masse d’eau liquide
____________________= T.E.L. volumique
Volume total de neige

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C’est généralement la T.E.L. volumique qui est mesurée.

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3.2.2. – Propriétés mécaniques de la neige

3.2.2.1. – La cohésion de la neige

La cohésion de la neige dépend de la qualité des liaisons entre les grains. on distingue quatre types de cohésion :

Fig. n° 3 : Cohésion de feutrage
 
Fig. n° 4 : Cohésion de frittage

Fig. n° 3 : Cohésion capillaire

Fig. n° 6 : Cohésion de regel

3.2.2.2. – Tassement, compression et traction

 
Fig. n° 7 : Zones de contrainte maximale sur une pente de neige

La neige résiste assez bien à la compression mais très mal à la traction. Sur les pentes, les zones de convexité sont des zones de traction et les concavités sont des zones de compression (fig. n° 7). La neige est donc un matériau compressible et ceci, d’autant plus qu’elle est récente et de masse volumique faible.  

​

3.2.3. – Propriétés thermiques de la neige

3.2.3.1. – Isolation thermique

Le matériau neige contient de l’air qui en fait un isolant thermique. Cette qualité sera d’autant meilleure que la quantité d’air sera importante et donc que sa masse volumique sera faible. La neige fraîche dont la masse volumique est généralement dans nos régions de l’ordre de 100 kg/m3 (89 % d’air) sera un bien meilleur isolant que la neige de névé à 500 kg/m3 (45 % d’air).

 

3.2.3.2. – Capacité calorifique et chaleurs latentes

La quantité d’énergie ou de chaleur nécessaire pour élever la température de la neige de 1°C est de 0,5 calorie, ou 2,1 joules, par gramme (capacité calorifique).

​

Pour passer d’un état (ou phase) à un autre l’eau dissipe ou absorbe de la chaleur (chaleur latente). L’ordre croissant d’état énergétique de l’eau est :

glace – eau liquide – vapeur

​

Les changements d’état dans ce sens se feront avec absorption de chaleur et avec dégagement de chaleur dans l’autre sens.

​

TABLEAU DES VALEURS DES CHALEURS LATENTES DES DIFFÉRENTS CHANGEMENTS D’ETAT

​

CHANGEMENT D’ETAT

NATURE DU FLUX DE CHALEUR

CHALEUR LATENTE

(CAL/g)

(Joules/g)

FUSION

ABSORPTION

80

334

ÉVAPORATION

ABSORPTION

598

2 500

SUBLIMATION

ABSORPTION

678

2 834

CONDENSATION LIQUIDE

DÉGAGEMENT

598

2 500

SOLIDIFICATION

DÉGAGEMENT

80

334

CONDENSATION SOLIDE

DÉGAGEMENT

678

2 834

​

3.2.4. – Les échanges neige atmosphère

Fig. n° 10 : interaction rayonnement solaire/neige

L’état thermique du manteau neigeux conditionne les métamorphoses et dépend du bilan de ses échanges énergétiques avec l’atmosphère.

 

3.2.4.2. – Le rayonnement thermique

Comme tous les corps, la neige émet en permanence, de jour comme de nuit, un rayonnement infrarouge dit rayonnement thermique. La neige se comporte comme « un corps noir ». Cette émission de rayonnement s’accompagne d’une perte d’énergie de la neige et se traduit, en l’absence de compensation telle que le rayonnement solaire, par une baisse de température parfois importante de sa surface (nuit claire et sans vent).

​

L’atmosphère, notamment la vapeur d’eau, et les nuages offrent le même phénomène d’émission de rayonnement thermique. La totalité de ce rayonnement émis vers la neige est absorbée par celle-ci. C’est pourquoi les nuits nuageuses et humides ne permettent pas un abaissement important de température de la neige de surface. Dans ce cas l’émission de rayonnement thermique de la neige est compensée par celle de la couverture nuageuse et de la vapeur d’eau (fig. n° 11).

Fig. n° 11 : Interaction rayonnement thermique/neige
 

3.2.4.3. – La pluie et la neige

L’effet principal de la pluie sur le manteau neigeux est de l’humidifier. L’énergie qu’elle apporte sert surtout à réchauffer la neige, car la fusion qu’elle provoque est un phénomène qui demeure limité. Une pluie de 10 mm à + 5°C ne fait pas fondre plus de 1 cm de neige à 0°C et de masse volumique égale à 100 kg/m3. Par contre elle provoque un fort tassement qui donne l’impression que la neige a fondu.

Fig. n° 12 : interaction précipitations/neige

Les chutes de neige refroidissent ou réchauffent le manteau neigeux. Le sens des échanges dépend des températures respectives de la neige qui tombe (généralement égale à la température de l’air), et de la neige de surface du manteau neigeux (fig. n° 12).

 

3.2.4.4. – Température de l’air, humidité et vent

La neige peut se réchauffer (au plus jusqu’à 0°C) ou se refroidir au contact de l’air qui s’écoule à sa surface. Ces échanges dépendent de la différence de température entre les deux milieux, de l’humidité de l’air et de la vitesse du vent qui a pour effet d’accélérer les échanges. Néanmoins, la neige étant un bon isolant, réchauffement ou refroidissement seront lents à se propager à l’intérieur du manteau neigeux (fig. n° 13).

Fig. n° 13 : Action du vent sur les échanges air/neige
 

3.2.4.5. – Flux thermique de sol

La terre maintient en permanence un flux d’énergie à la base du manteau neigeux par l’intermédiaire du « flux thermique de sol ». Bien que faible, cet apport de chaleur permet de maintenir la base du manteau neigeux à 0°C. Rappelons à ce sujet que contrairement à la croyance générale, ce flux thermique ne permet pas au manteau neigeux de fondre à la base de façon importante. La fusion significative du manteau neigeux se fait toujours à partir des couches superficielles.

 
Fig. n° 14: Action du flux thermique de sol à la base du manteau neigeux

​

Pour passer d’un état (ou phase) à un autre l’eau dissipe ou absorbe de la chaleur (chaleur latente). L’ordre croissant d’état énergétique de l’eau est :

glace – eau liquide – vapeur

​

Les changements d’état dans ce sens se feront avec absorption de chaleur et avec dégagement de chaleur dans l’autre sens.

 

TABLEAU DES VALEURS DES CHALEURS LATENTES DES DIFFÉRENTS CHANGEMENTS D’ETAT

​

CHANGEMENT D’ETAT NATURE DU FLUX DE CHALEUR

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CHALEUR LATENTE

(CAL/g)

(Joules/g)

FUSION

ABSORPTION

80

334

ÉVAPORATION

ABSORPTION

598

2 500

SUBLIMATION

ABSORPTION

678

2 834

CONDENSATION LIQUIDE

DÉGAGEMENT

598

2 500

SOLIDIFICATION

DÉGAGEMENT

80

334

CONDENSATION SOLIDE

DÉGAGEMENT

678

2 834

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3.2.4. – Les échanges neige atmosphère

Fig. n° 10 : interaction rayonnement solaire/neige

L’état thermique du manteau neigeux conditionne les métamorphoses et dépend du bilan de ses échanges énergétiques avec l’atmosphère.

 

3.2.4.2. – Le rayonnement thermique

Comme tous les corps, la neige émet en permanence, de jour comme de nuit, un rayonnement infrarouge dit rayonnement thermique. La neige se comporte comme « un corps noir ». Cette émission de rayonnement s’accompagne d’une perte d’énergie de la neige et se traduit, en l’absence de compensation telle que le rayonnement solaire, par une baisse de température parfois importante de sa surface (nuit claire et sans vent).

​

L’atmosphère, notamment la vapeur d’eau, et les nuages offrent le même phénomène d’émission de rayonnement thermique. La totalité de ce rayonnement émis vers la neige est absorbée par celle-ci. C’est pourquoi les nuits nuageuses et humides ne permettent pas un abaissement important de température de la neige de surface. Dans ce cas l’émission de rayonnement thermique de la neige est compensée par celle de la couverture nuageuse et de la vapeur d’eau (fig. n° 11).

Fig. n° 11 : Interaction rayonnement thermique/neige
 

3.2.4.3. – La pluie et la neige

L’effet principal de la pluie sur le manteau neigeux est de l’humidifier. L’énergie qu’elle apporte sert surtout à réchauffer la neige, car la fusion qu’elle provoque est un phénomène qui demeure limité. Une pluie de 10 mm à + 5°C ne fait pas fondre plus de 1 cm de neige à 0°C et de masse volumique égale à 100 kg/m3. Par contre elle provoque un fort tassement qui donne l’impression que la neige a fondu.

Fig. n° 12 : interaction précipitations/neige

Les chutes de neige refroidissent ou réchauffent le manteau neigeux. Le sens des échanges dépend des températures respectives de la neige qui tombe (généralement égale à la température de l’air), et de la neige de surface du manteau neigeux (fig. n° 12).

 

3.2.4.4. – Température de l’air, humidité et vent

La neige peut se réchauffer (au plus jusqu’à 0°C) ou se refroidir au contact de l’air qui s’écoule à sa surface. Ces échanges dépendent de la différence de température entre les deux milieux, de l’humidité de l’air et de la vitesse du vent qui a pour effet d’accélérer les échanges. Néanmoins, la neige étant un bon isolant, réchauffement ou refroidissement seront lents à se propager à l’intérieur du manteau neigeux (fig. n° 13).

Fig. n° 13 : Action du vent sur les échanges air/neige
 

3.2.4.5. – Flux thermique de sol

La terre maintient en permanence un flux d’énergie à la base du manteau neigeux par l’intermédiaire du « flux thermique de sol ». Bien que faible, cet apport de chaleur permet de maintenir la base du manteau neigeux à 0°C. Rappelons à ce sujet que contrairement à la croyance générale, ce flux thermique ne permet pas au manteau neigeux de fondre à la base de façon importante. La fusion significative du manteau neigeux se fait toujours à partir des couches superficielles.

 
Fig. n° 14: Action du flux thermique de sol à la base du manteau neigeux

 

3.3. - LA NEIGE DE CULTURE

Contrairement à la neige naturelle, la formation du cristal de neige de culture ne provient pas d’un phénomène de condensation solide de la vapeur d’eau (passage direct de l’état gazeux à l’état solide), mais simplement de la solidification des gouttelettes d’eau (passage de l’état liquide à l’état solide) : c’est pourquoi les cristaux de neige de culture ne peuvent avoir l’apparence que de granules de forme sphérique.

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3.3.1 Propriétés physiques de la neige de culture

Plus stable sur les plans thermodynamiques et mécaniques, la neige de culture ne se tasse que très peu.

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En fonction de la distance du point de mesure à l’enneigeur les propriétés de la neige produite sont différentes.

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Masse volumique

Les mesures effectuées à ce jour donnent une moyenne d’environ 400 kg/m3 de neige. En règle générale, emprisonnant peu d’air elle ne se tasse pratiquement pas. Elle a une moyenne de densité 4 fois supérieure à une neige naturelle, fraîche et sèche. La masse volumique supérieure de la neige de culture confère à ce matériau une plus grande facilité de cohésion et un potentiel de résistance mécanique plus élevé. La qualité de fabrication et donc la masse volumique de la neige produite peut être sélectionnée en faisant varier le débit instantané d’eau.

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Il est couramment admis que 2m3 de neige sont produits à partir de 1m3 d’eau.

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Teneur en eau liquide (TEL)

S’il n’y a quasiment pas d’eau dans un volume de neige donné, soit une teneur en eau liquide proche de 0 %, la neige est dite sèche. Difficilement préhensible, elle ne permet pas la formation de boules de neige par compression.

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·       Avec une teneur en eau liquide inférieure à 2 % : la neige produite est assimilée comme étant peu humide. Elle autorise la formation de boules de neige par compression et retrouve son apparence initiale après fragmentation.

·       Avec une teneur en eau liquide comprise entre 2 et 4 % : la neige est dite humide. Elle permet la formation de boules de neige sans retour possible à l’état initial après fragmentation.

·       Et enfin pour une teneur en eau liquide supérieure à 4 % : la neige est dite mouillée. Une boule de neige formée prend la couleur de la glace, elle ne se fragmente pas et de nombreuses gouttelettes se forment pendant la compression.

​

Résistance au cisaillement

L’analyse des mesures s’effectue au scissomètre :

·       Neige sèche : elle présente une résistance au cisaillement relativement faible équivalente à celle mesurée pour une cohésion de frittage.

·       Neige humide ou mouillée : sa résistance au cisaillement, initialement faible, augmentera dans le temps avec le phénomène de regel et sera d’autant plus élevée que la température de l’air ambiant est basse.

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Résistance à l’enfoncement

Les sondages effectués dans le manteau neigeux montrent que la neige de culture présente une excellente résistance à l’enfoncement de la sonde par battage. Ils corroborent les résultats des mesures de résistance au cisaillement et confirment ainsi l’aptitude de la neige de culture à résister au phénomène d’érosion dû au passage des skieurs.

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3.3.2 Métamorphoses de la neige de culture

A priori les grains qui composent la neige de culture avant métamorphose sont des grains de diamètre variable de 0,2 à 1 mm.

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Rappelons que les grains ronds présentent un diamètre variable de 0,5 à 2 mm et les grains fins un diamètre variable de 0,2 à 0,4 mm.

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La seule métamorphose des grains ronds connue à ce jour est la métamorphose destructive c’est à dire le retour à l’état liquide.

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Ainsi :
Par température extérieure positive on assiste au phénomène de fonte des grains ronds (TEL importante et faible albédo). Ces deux propriétés conjuguées accélèrent le phénomène de fonte.

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Par température extérieure négative il y a création de ponts de glace entre les grains ronds.

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La métamorphose des grains fins peut être d’un autre type que celle des grains ronds