Formation, accumulation et fonte du manteau neigeux

La formation d’un manteau neigeux saisonnier dépend généralement des facteurs géographiques et climatiques tels que la latitude, l’altitude ainsi que la proximité avec des sources d’eau importantes et la circulation régionale des masses d’air (Gray & Male, 1981). Les chutes de neige ne vont en pratique pas survenir dans les basses latitudes des milieux tempérés car les températures de l’air sont bien au dessus du point de congélation à l’hiver. Celles-ci auront plutôt tendance à se produire dans les hautes altitudes puisque les températures de l’air sont plus basses du fait que la température diminue avec l’altitude. La formation de chutes de neige est également conditionnée par le régime de précipitation d’une région. La circulation atmosphérique est également une condition essentielle afin de transporter la vapeur d’eau. Les régions venteuses bordées par l’océan ou dotées de larges lacs sont propices à la neige à condition que les températures soient suffisamment basses à la surface. Des soulèvements d’air et des refroidissements aboutissant à des chutes de neige peuvent aussi être causés par la circulation d’air humide au-dessus des montagnes (orographique) ou encore par des masses d’air humides et chaudes sur des masses d’air sèches et froides (DeWalle & Rango, 2008).

La formation des nuages de gouttelettes d’eau ou de cristaux se fait à partir de la condensation de l’humidité de l’atmosphère. Lorsque la tension de vapeur de l’air excède la valeur de saturation, l’air devient saturé et pourvu de vapeur d’eau, la condensation de vapeur se produit et les précipitations peuvent se former (Mason, 1971). La création d’un flocon de neige dans les nuages suit un processus complexe (Sumner, 1988). La condensation des petites particules présentes dans l’air permet de former un cristal ou une agrégation de cristaux. La formation de neige nécessite une température atmosphérique inférieure à 0°C et la présence d’eau en surfusion dans les nuages sursaturés (Barrie, 1991). Initialement, les cristaux de neige se développent selon des formes très variées. La forme des cristaux est fonction des conditions de pressions atmosphériques à l’altitude où ils se forment mais aussi de la température et de la vitesse du vent lorsqu’ils se rapprochent du sol. L’interaction des cristaux entre eux affecte leur croissance pour créer des flocons de neige. La collision avec une goutte d’eau surfondue gelant à la surface du flocon permet aux flocons de grossir. Une fois déposés, l’accumulation de flocons au sol forme la couverture de neige (Armstrong & Brun, 2008).

Évolution

Les cristaux de neige qui tombent de l’atmosphère changent de forme et de taille continuellement (Armstrong & Brun, 2008). Après chaque chute de neige, une nouvelle couche de neige s’ajoute à la couverture de neige précédente dont les propriétés diffèrent. Les cycles de gel, fonte et de pluie affectent la structure des flocons de neige du couvert neigeux. Par ailleurs, l’évolution perpétuelle des propriétés physiques des couches du manteau neigeux est entraînée par les conditions météorologiques ainsi que les contraintes thermodynamiques du système glace-eau-vapeur. Ces transformations de la matrice des cristaux de glace constituent le métamorphisme de la neige. Le processus de métamorphose de la neige commence dès que la neige s’accumule au sol. Ce processus s’établit selon un des quatre mécanismes suivants : tassement gravitationnel, métamorphisme destructif, métamorphisme constructif et métamorphisme de fonte (Sommerfeld & LaChapelle, 1970). Le tassement gravitationnel est un processus lié au poids des couches et à la température du manteau neigeux. Immédiatement après leur accumulation, les flocons se transforment sous l’effet du métamorphisme destructif qui les fait passer de leur forme d’étoile à des formes de grains plus arrondies (Anderson & United, 1976).

L’intensité du métamorphisme destructif dépend principalement de la taille et de la forme initiales des flocons, de la température du couvert neigeux ainsi que la présence ou non d’eau liquide. La densité de la couverture tend également à croître lors de cette transformation (Perla, 1978). La transformation de grains de formes irrégulières à rondes s’effectue par migration de vapeur. Ce type de métamorphisme s’établit par diffusion de vapeur d’eau des surfaces convexes où la tension de vapeur est plus élevée aux surfaces concaves des cristaux. Les éléments aux extrémités des cristaux s’évaporent et se déplacent sur les surfaces planes où ils se condensent. En outre, la diffusion de vapeur due aux effets de courbures du cristal peut avoir lieu uniquement que quand il n’y a pas de différence de température avec le pack de neige (DeWalle & Rango, 2008). Le métamorphisme constructif est quant à lui dû aux transferts de vapeurs dans le couvert neigeux crées par les gradients de température (Anderson & United, 1976). Il provient de l’agglomération des cristaux de neige et se produit dans une couverture de neige sous le point de congélation pendant l’hiver.

Lorsqu’un gradient de température existe, une diffusion de vapeur opère à partir des grains de la couche superficielle plus chaude vers les grains d’une couche plus froide et profonde. Cette migration provoque un changement complet de la forme et de la structure du cristal pour donner plutôt des grains à facettes. Un transfert de masse et d’énergie par sublimation s’établit au sein du pack au cours de ce processus (DeWalle & Rango, 2008). En général plus tard dans la saison, le métamorphisme de fonte agit lorsque le couvert de neige se réchauffe. En raison des fluctuations de température, l’eau originaire de la pluie ou de la fonte se retrouve dans la couverture et celle ci peut geler. À cette eau, l’action du gel-dégel va permettre le développement de grains de plus en plus gros et bien liés qui forment plutôt un mélange de granules plus petits dont toute trace se perd. (Perla, 1978) 8 Il existe d’autres interactions entre l’atmosphère et la couverture de neige telles que la redistribution par le vent et la sublimation à la surface entraînant la transformation de la densité de la structure. La sublimation est fonction du vent et de l’humidité de l’air. Ce procédé constitue la transformation directe de la neige ou la glace en vapeur d’eau. Le vent a pour effet de transporter une quantité de neige via l’atmosphère. Ce processus s’apparente au phénomène d’érosion ou de sédimentation des sols. Ce sont tous deux des processus qui varient grandement d’une région à l’autre (DeWalle & Rango, 2008).

Comportement thermique

Comparativement au sol, la neige possède une conductivité thermique relativement faible, de l’ordre de 0,045 W/m/K pour une neige ’sèche’ de masse volumique 100 kg/𝑚3. La neige est un isolant très efficace et piège la chaleur du sol. La compacité de la neige aura tendance à augmenter sa conductivité thermique entraînant le refroidissement du sol et le réchauffement de l’atmosphère. En plus de la densité et du contenu en eau de la neige, la conductivité thermique dépend également de la structure du matériau et de la température. Le coefficient de conductivité de la neige évolue sans cesse à cause du métamorphisme et des conditions climatiques qui participent à l’évolution continue du pack de neige (Sturm, Holmgren, König & Morris, 1997). La conductivité thermique de la neige contrôle la rapidité de transfert de chaleur des couches de neige (Armstrong & Brun, 2008). La conduction de chaleur dans le manteau neigeux s’effectue à travers la connexion des grains et des pores d’air. Il peut aussi se faire par transfert de chaleur latente. La combinaison du processus de conduction et de transfert de chaleur latente donne lieu à une conductivité thermique dite effective (Singh, 1999). Le processus majeur de conduction s’effectue à travers la portion solide de la matrice tandis que son rôle est insignifiant par l’air à travers les espaces poreux. Le transfert de vapeur de chaleur latente par sublimation ou condensation peut augmenter de manière notable l’échange de chaleur le long d’un gradient de température et produit alors une perte de masse des grains (Sturm et al., 1997). La chaleur spécifique de la neige représente la quantité d’énergie qui doit être apportée pour changer sa température de 1 K. Elle se détermine à partir des chaleurs spécifiques propres aux trois constituants (air, glace et eau) de la neige et de leur proportion. Étant donné que les chaleurs spécifiques des constituants dépendent de la température, la chaleur spécifique de la neige l’est aussi (Armstrong & Brun, 2008).