L'évolution du manteau neigeux

La stabilité du manteau neigeux varie en fonction de son évolution. En effet, dès que la neige se dépose à la surface du sol, et quelquefois avant, elle commence à se transformer selon une suite de phénomènes physiques en relation avec les conditions météorologiques.

Ces modifications de taille et de forme, entraînant des propriétés physiques et mécaniques différentes, sont dues à I'action du vent, à la répartition verticale de la température dans la neige (réchauffement, pluie), etc.

Le résultat est un manteau stratifié, composé de différentes couches de neige. Selon les caractéristiques de ces couches successives et leur évolution, le manteau neigeux peut devenir stable ou instable, ce qui peut dans ce dernier cas provoquer des avalanches ou faciliter leur déclenchement.

Evolution of the snowpack

The stability of the snow cover or snowpack increases and decreases as it evolves (metamorphism). From the moment snow lands on the surface, and sometimes before that, it starts to transform under the influence of several processes that have to do with meteorological conditions. These changes in size and shape, which bring with them changes in physical and mechanical properties, are caused by the action of the wind, by temperature gradients vertically within the snow (warming, rain), etc. The result is stratification of the snow cover, which is made up of different layers of snow. Depending on the characteristics of these successive layers and the way they evolve, the snow cover can become stable or unstable, and in the latter case this can cause avalanches or make it easier for them to be set off.

Les types d'avalanches

Une avalanche est une masse de neige qui dévale une pente à plus ou moins grande vitesse. Schématiquement, on distingue trois types d'avalanche caractérisés chacun par le type de neige mise en cause dans le mouvement initial : I'avalanche de neige récente, l'avalanche de plaque dure, et I'avalanche de neige humide (ou de fonte). Mais la réalité est souvent complexe et, au cours de son trajet, une avalanche peut changer de caractéristiques.

Types of avalanche

An avalanche is a mass of snow travelling downhill at speed. Avalanches are usually divided into three categories, each characterised by the type of snow involved in the initial movement. There are avalanches of recent snow; avalanches of hard slabs; and avalanches of wet snow (or thaw). But the reality is often complex and an avalanche can change its characteristics while still sliding.

L'avalanche de neige récente

La neige mise en mouvement est peu évoluée, sèche ou humide, pulvérulente ou de faible cohésion. Sa masse volumique est le plus souvent inférieure à 200 kg/m3. Les avalanches spontanées se produisent pendant ou peu après les chutes de neige alors que le risque de déclenchement par le skieur peut persister plusieurs jours.

Ces avalanches se caractérisent soit par un départ ponctuel, soit par une cassure linéaire. Dans le cas d'un départ ponctuel, I'avalanche s'élargit vers I'aval (trace en forme de cône ou de poire).

Les cassures linéaires concernent une neige dont la cohésion est faible mais suffisante pour se comporter initialement comme une plaque friable. Ce dernier type de déclenchement d'avalanche provoque beaucoup d'accidents. II est d'autant plus dangereux que I'aspect poudreux de la neige de surface ne donne pas I'impression d'un matériau pouvant subir une fracture linéaire (comportement de plaque).

Que le départ de I'avalanche soit ponctuel ou linéaire, son écoulement et son ampleur dépendent de plusieurs facteurs : quantité de neige mobilisable, qualité (sèche, humide), température et densité de la neige, topographie (nature du sol, déclivité, longueur de la pente).

Leur écoulement se fait soit en surface comme un fluide dense, soit sous forme d'aérosol, mélange de neige et d'air (avalanche de poudreuse). Les plus grosses d'entre-elles, qui déferlent à très grande vitesse (jusqu'à 200 à 300 km/h) peuvent provoquer d'énormes dégâts. La zone de dépôt de ces avalanches de poudreuse est parfois difficilement détectable car elle s'étend sur une vaste superficie.

The avalanche of recent snow

In this sort of avalanche, the moving snow is in a form very similar to that in which it fell from the sky, dry or wet, powdery or with weak cohesion. Its density is usually less than 200 kg / m3. Spontaneous avalanches occur during or shortly after snowfall, when the risk that a skier will trigger an avalanche can last for several days.

These avalanches may start from a single point or from a linear fracture. In the case of a point release, the avalanche gets wider as it goes downhill (forming a cone or pear shape). Linear fractures occur where the snow has weak cohesion but enough to make it behave initially like a soft slab.

This type is associated with a lot of accidents. It is more dangerous because it is not apparent from the powdery appearance of the surface that it might behave like a slab, and develop a fracture line. Whether the avalanche starts at a point release or a linear fracture, its flow and width depend on several factors: the amount of snow capable of releasing, its qualities (dry, wet), its temperature and density, the topography (the nature of the ground surface, the gradient, and the length of the slope).

L'avalanche de plaque dure

Moins difficile à déceler que les plaque friables, les plaques dures sont également très dangereuses pour les skieurs. 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 tient essentiellement à la présence d'une sous-couche fragile. Leur fragile équilibre peut être rompu sous I'effet d'une faible surcharge. Une variété de plaques, dites plaques à vent, se forme sous I'action du vent ou aprés 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 qui explique également la formation des corniches aux voisinages des crêtes. Les zones d'écoulement et d'arrêt de ces avalanches sont parsemées de blocs tabulaires de neige dure.

The slab avalanche

Easier to detect than a soft slab, hard slabs are just as dangerous for skiers. The initial fracture affects snow of good cohesion, with a density of 200-400 kg / m3. The crown fracture, always sharp and well-defined, propagates rapidly in a line. These slabs are unstable essentially because they lie on top of a fragile under-layer. Their delicate equilibrium can be disrupted by even a slight additional load.

One form of slab, known as wind slab, is formed by wind or after snowfall. Broken by the wind, the crystals are left as fine particles which bond rapidly after landing. This explains the formation of cornices along the top of ridges. The track or slide path, and the deposition zone or run out of this sort of avalanche are littered with rectangular blocks of hard snow.

L'avalanche de neige humide (ou de fonte)

Ce type d'avalanche est directement lié à la présence d'eau liquide (fonte superficielle, pluie, etc). 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 plus typiques des avalanches de neige humide sont les avalanches de printemps qui se produisent dans les pentes bien ensoleillées.

Elles peuvent intéresser des versants ou être canalisées dans d'étroits couloirs. Leur écoulement se rapproche de celui de la lave : les vitesses sont relativement faibles, de i'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. II n'est pas rare d'en trouver des restes en bas d'un couloir, alors que le printemps est bien avancé.

Avalanches of wet snow (or thaw)

This type of avalanche is directly linked to the presence of liquid water (superficial thaw, rain, etc). The wet snow has an increased density (350-500 kg / m3 on average). These avalanches occur when the temperature increases significantly, whether or not this is accompanied by rain. The typical wet snow avalanche is the spring avalanche which takes place on slopes exposed to direct sun.

They can affect entire slopes or be channelled into narrow corridors. Their flow resembles that of lava, with relatively slow speeds in the order of 20-60 km/h. However these avalanches have great erosive power, and the largest ones can do devastating damage.

The deposition zone or run out, which is sometimes several metres deep, consists of shapeless blocks of very dense snow. It is not uncommon to find their remains in the bottom of a couloir or gully, even quite late in Spring.

Métamorphose de faible gradient, moyen à fort gradient et fonte

• La métamorphose de faible gradient s'observe lorsque les variations de température au sein de la couche de neige sont faibles. Elle s'amorce par la destruction des dendrites, fines ramifications des cristaux, et se poursuit par des transferts de matière, par sublimation/congélation, des convexités vers les concavités des cristaux, dûs à des déséquilibres de tension de vapeur saturante. Les cristaux s'arrondissent, leur taille se réduit et se calibre, et leur nombreux points de contact favorisent la formation de ponts de glace qui les soudent les uns aux autres (phénomène de frittage).
  Cette métamorphose aboutit ainsi à la densification et à l'augmentation de la cohésion de la couche de neige (au détriment de sa plasticité).
  Les grains constituant ces couches sont appelés grains fins.

C'est la neige typique des plaques dures, une neige qui a une bonne cohésion. Celle avec laquelle ont peut faire des blocs pour l'igloo. On retrouve ce type de grain dans les couches de neige issues du transport par le vent (donc dans les plaques à vent, les corniches, les congères, etc).

Metamorphism with small temperature gradient, medium-large gradient, and thaw

• Destructive or equi-temperature (ET) metamorphism takes place when the temperature gradient within the snow cover is small, takes place. It starts with destruction of the dendrites, which are thin branches off the crystals, and carries on with the transfer of material from convex parts of the crystal to fill in concave parts, by a process of sublimation and re-freezing caused by an imbalance in saturated vapour tension. The crystals become rounder and smaller. As they group together more closely, the many points of contact between them encourage the development of “ice necks” that weld one to another (a process known as sintering). This form of metamorphism makes the snow cover denser and more cohesive (to the detriment of its plasticity). The particles of snow that make up these layers are called fine grains. It is the typical snow that makes up hard slabs, a snow with a good cohesion, good for making snow blocks for building igloos. This sort of grain is found in layers of snow deposited by the wind (as wind slab, cornice, snowdrifts, etc).

• La métamorphose de moyen à fort gradient se déclenche lorsque le gradient thermique vertical affectant la couche de neige atteint ou dépasse 20°C/mètre environ, et se montre d'autant plus active que la couche de neige est poreuse.

Dans ces conditions, on assiste encore à des transferts de matière par sublimation/ congélation, mais cette fois-ci suivant un axe privilégié : la verticale, et dans le sens du bas vers le haut. Ces transferts génèrent des grains particuliers : les grains à faces planes, puis les "gobelets", pouvant atteindre des tailles respectables (plusieurs millimètres), formant des strates de faible cohésion.

Quand le gradient est compris entre 5 et 20°C/m, il est dit moyen. Formation de grains à faces planes.
Gradient supérieur à 20°C/m : fort, formation de gobelets.

Pratiquement, on obtient des couches sans aucune cohésion (comparable à du sucre ou du gros sel). Inoffensives lorsqu'elles sont en surface du manteau neigeux (même agréables à skier pour le face plane), elles deviennent dangereuses une fois enfouie sous une autre couche (schématiquement, c'est un roulement à bille).

Conditions de formation de ce type de grain : période froide et sèche sur une plus ou moins longue période et couche de faible épaisseur.

En gros ce sont les conditions de début de saison : les premières chutes de neige (faible épaisseur) de novembre, décembre sont suivies d'une période anticyclonique froide. Surtout dans les faces Nord.

Particularité : une couche de gobelet n'est pas modifiée (et donc conserve toutes ses caractéristiques) tant qu'il n'y a pas d'eau liquide dans le manteau neigeux (redoux ou pluie).

Donc on peut retrouver ce type de couche dans le manteau tout au long de l'hiver, avec les conséquences avalancheuses que cela peut supposer (quoique enfouis profondément, une telle couche peut devenir inoffensive).

• Constructive or temperature-gradient (TG) metamorphism occurs when the temperature gradient affecting the snow cover is medium to large (20°C or more per vertical metre). This is particularly marked when the snow cover is porous to air. In these conditions, we again see transfer of material by sublimation and re-freezing, but this time in one particular axis - vertically, from the bottom towards the top. These transfers give rise to particular sorts of grain: grains with flat facets, then cup-shaped crystals which can reach a considerable size (several millimetres) and form poorly-bonded layers known as “depth hoar” or “sugar snow”.

When the temperature gradient is between 5 and 20°C/m it is said to be average. Formation of faceted grains. When the temperature gradient is above 20°C/m it is said to be high, and leads to the formation of cup-shaped crystals. The practical result is layers with no cohesion at all (resembling sugar or coarse salt). This is no problem as long as they are on the surface of the snow cover (an may even mean good skiing, in the case of faceted grains), but they become dangerous when they are buried under another layer. It’s like a layer of ball bearings. The conditions favouring the development of this sort of particle are a cold dry period lasting a fairly long time, and a thin layer of snow. In the French Alps, broadly speaking these are the conditions experienced early in the skiing season. The first snowfalls of November and December leave a thin layer and are followed by a cold anticyclonic period. Especially on northern slopes.

Special characteristic: A layer of depth hoar is not modified (and therefore keeps all its characteristics) as long as there is no liquid water in the snow cover, whether from milder weather or rain. Therefore this kind of layer can be found in the snow cover right through winter, with the avalanche consequences that one might imagine (although when deeply buried, depth hoar can be rendered harmless).

• Enfin, la métamorphose de fonte est consécutive à l'apparition d'eau liquide au sein du manteau neigeux, traduisant une fusion partielle des grains de neige. Elle accompagne les épisodes de redoux prolongés ou de pluie.

Elle conduit à la formation d'agglomérats de plus en plus gros de grains ronds, liés plus ou moins fortement par cohésion de regel ou cohésion capillaire, suivant les températures qui règnent dans la couche de neige. Au-delà d'un certain seuil de rétention, l'eau liquide percole vers la base du manteau neigeux, dont la fonte est alors rapide. Au cours de l'hiver, ces différentes métamorphoses se succèdent au gré des conditions météorologiques.

Le manteau neigeux peut donc être un empilage de strates nombreuses aux caractéristiques de cristallographie, de cohésion, de densité, de teneur en eau liquide très différentes.

Pratiquement, c'est la neige des névés, de printemps, après la pluie. Béton le matin (la célèbre croûte de regel), bonne à skier quand le soleil commence à faire fondre les 3 premiers centimètres, soupe à midi et dangereuses plus tard (coulées de printemps ou grosses avalanches de fonte).

• Finally there is thaw or melt metamorphism, which takes place when liquid water appears within the snow cover and brings about a partial fusion of the snow grains. It accompanies rain or periods of prolonged mild weather.

It leads to the formation of larger and larger clumps of round grains (“corn snow”), more or less strongly bonded by re-freezing or capillary cohesion, depending on the temperatures within the snow cover. When a certain threshold of retention is exceeded, the liquid water percolates down towards the base of the snow cover, causing it to melt rapidly. During the course of winter, these different metamophoses occur one after the other in an order dictated by the meteorological conditions.

The snow cover can therefore be a stack of numerous strata with highly variable crystallography, cohesion, density and liquid content.

In practice this is névé snow, Spring snow, snow after rain. It's like concrete in the morning (the infamous freeze crust or sun crust), good for skiing when the sun starts to melt the top three centimetres, soup by noon, and dangerous later on (spring slumps and major avalanches of wet snow).

On pourrait ajouter deux formes de cristaux dont il faut se méfier :

• La neige roulée (ou grésil)
• Le givre de surface, cristal particulier, puisqu'il ne naît pas dans un nuage mais pousse comme de l'herbe!

La neige roulée, ce sont des cristaux de neige givrés. Sur un cristal initial, des microgoutellettes d'eau viennent se congeler directement. On obtient un cristal en forme de boule de mimosa, le grésil qui vous cingle le visage et rebondit sur vos vêtements.

Une couche de grésil enfouie sous une nouvelle couche de neige, c'est aussi un roulement à bille, tout bon pour les avalanches.

Donc il faudra se méfier les jours consécutifs à ce type de chute. D'autant plus qu'eux aussi ne se transforment que sous l'effet de l'eau liquide (vers le grain rond).

Le givre de surface : paillettes de surface ou grosses feuilles de givre, se forme quand les nuits et les jours ont été clairs et froids, aux alentours de plans d'eau, cours d'eau, marais, etc. Plan de glissement idéal pour les couches supérieures!

One could add two other shapes of crystal which it is as well to treat with caution:

• Graupel (soft hail) or hail
• Surface hoar, an eccentric crystal which is not produced within clouds but grows like grass!

Graupel and hail consist of crystals of snow that have been covered in ice. Micro-drops of water freeze directly onto the original snow crystal. This results in a crystal like a mimosa flower, the hail that stings your face and bounces off your clothing. You have to be careful after a layer of hail has fallen, because once buried under a new layer of snow, it will act like a layer of ball bearings and can cause an avalanche. All the more so because again, these crystals transform only under the influence of liquid water, when they become round grains.

Surface hoar. Tiny crystals on the surface or big leaves of frost which form during cold nights and days, in the vicinity of ponds and lakes, streams, marshes, etc. An ideal sliding surface for any overlying layers!

La neige

• La particule élémentaire de ce matériau est un grain de glace. A l'origine, elle se forme au sein des nuages par la congélation d'une eau surfondue autour d'une impureté jouant le rôle de noyau. Un cristal de glace de développe alors sous des formes très diverses (étoiles, plaquettes, aiguilles pleines ou creuses ...) selon la température ambiante. Après avoir atteint une masse suffisante, ce cristal tombe. Au cours de sa chute, il peut subir de nombreuses transformations sous l'action du vent et des fluctuations de température.
• Au sol, l'ensemble de ces particules de glace forment le manteau neigeux, elles vont se transformer sous l'action mécanique des couches de neige supérieures (destruction des dendrites) et se métamorphoser selon le gradient de température au sein du manteau neigeux, ce gradient est étroitement lié au flux géothermique et aux conditions météorologiques (ensoleillement, pluie, vent, nuit sans couvert nuageux ...). A température constante, le cristal de neige va se transformer en un grain fin. Avec un fort gradient de température, il se métamorphose en une petite pyramide renversée, creuse appelée gobelet ou givre de profondeur. Enfin, lors de la fonte, ce grain devient, dans tous les cas, un gros grain sous l'action du gel et du dégel.
• La cohésion entre ces particules dépend fortement de leur nature.
• Les particules peu transformées ont une cohésion de feutrage provoquée par l'enchevêtrement de leurs dendrites. Elles peuvent ainsi s'accumuler sur des pentes très raides juste après leur chute. Mais très vite, le poids de la neige accumulée détruit ces dendrites provoquant alors une avalanche.
• La cohésion entre les grains fins est due à la formation de ponts de glace par sublimation. C'est la cohésion de frittage. Elle donne une bonne stabilité au manteau neigeux permettant une forte accumulation de la neige sur les pentes inférieures à 50 %.
• Les gobelets sont fragiles, et, soumis à des contraintes extérieures, se comportent comme des billes de verre sans cohésion.
• Enfin, la cohésion entre les gros grains ronds dépend de la Teneur en Eau Liquide (TEL) au sein de la couche. Si la TEL est faible, la cohésion capillaire est forte. Lorsque la TEL augmente, cette cohésion diminue fortement. Par contre, si le froid pénètre dans le manteau neigeux, une cohésion de regel, très importante, apparaît.
• La cohésion entre grains au sein du manteau neigeux est directement liée aux propriétés viscoplastiques du manteau neigeux. Celles-ci vont donc varier avec la température mais également avec le vieillissement de la neige. Un manteau neigeux est donc composé de différentes strates de neige à des stades différents d'évolution. La rupture d'une de ces strates, qui peut être très fine (quelques mm pour une couche de givre par exemple) peut mettre en mouvement des strates supérieures beaucoup plus stables et beaucoup plus épaisses.
• La rupture du manteau neigeux est provoquée essentiellement par une augmentation naturelle (chute de neige) ou artificielle (explosif, skieurs, ...) des contraintes exercées à la surface ou d'une variation de ses propriétés mécaniques, liée à une augmentation de la T.E.L. La neige mise en mouvement forme alors une avalanche.

Snow·

• The “elementary particle” of this material is the grain of ice. At the outset it forms in the middle of a cloud when supercooled water freezes around an impurity which acts as a condensation nucleus. An ice crystal develops in one of many diverse forms (stellar crystals, plates, solid or hollow needles) depending on the ambient temperature. When it gets heavy enough, the crystal falls to earth. While falling it can undergo many changes from wind action and temperature fluctuations.
• On reaching the ground, these particles of ice form the snow cover or snowpack. In time, the mechanical action of overlying layers of snow will transform them (by destruction of dendritic crystal branches) and they will be subject to metamorphism determined by the temperature gradient within the snow cover. This gradient is closely linked to geothermal flux and to meteorological conditions (sun, rain, wind, cloudless nights...). If the temperature remains constant, the snow crystal will turn into a fine grain. If there is a steep temperature gradient, it will turn into a little hollow pyramid, upside down, which looks like a cup or the top half of a goblet, and is known as “depth hoar”. Finally, during the thaw, all snow crystals turn into large grains as a result of repeated thawing and re-freezing.
• The cohesion between these particles depends very much on their nature.
• Snow crystals which have been only lightly transformed so they still have dendrites (fine branching crystals) stick to one another by what is sometimes called felting cohesion. This means they can accumulate on extremely steep slops just after they fall. However the weight of accumulated snow very soon destroys the dendrites and causes an avalanche.
• Cohesion between fine grains is the result of sublimation which forms “ice necks” that bond the crystals to one another. This is sintering cohesion. It gives good stability to the snow cover and permits a heavy accumulation of snow on slopes of less than 45 degrees.
• The cup-shaped crystals of depth hoar are fragile, and when put under load by external forces they act like glass balls with no cohesion.
• Ultimately, the cohesion between large round grains depends on the liquid water content (LWC) within the snow cover. If the LWC is low, there will be strong capillary bonding. As the LWC increases, this cohesion decreases rapidly. On the other hand, if cold penetrates the snow cover, re-freezing will lead to strong cohesion.
• Cohesion between grains within the snow cover is directly linked to the viscoplastic properties of the snow cover. Therefore it varies with the temperature but also as the snow ages. Snow cover is therefore made up of different layers of snow at different stages of evolution. If one layer fails or gives way, and it can be a very thin layer (just a few millimetres for a layer of surface hoar, for example), it may cause a slide of much thicker and more stable layers above it.
• Failure within the snow cover is caused essentially by an increase in surface loading which can be natural (snowfall, for example) or artificial (explosives, skiers, etc); or by a change in its mechanical properties, linked to an increase in the LWC. The snow thus set in movement forms an avalanche.

STABILITÉ DU MANTEAU NEIGEUX

Avalanches are possible, especially in case of heavy loading³ and on some slopes generally described in the local bulletin.

Avalanches may be set off by even slight loading³ and on many slopes, especially those described in the local bulletin.