Neige
Pour les articles homonymes, voir Neige (homonymie).
La neige est d'abord une forme de précipitations[1],[2] naturelle constituée de glace cristallisée[2],[3] agglomérée en flocons[3] contenant de l'air et pouvant être ramifiés de façons très variées[4]. Elle se forme par la condensation de la vapeur d'eau dans les hautes couches de l'atmosphère puis, selon sa structure, tombe ensuite plus ou moins vite vers le sol. Les petites particules de glace et l'air des flocons de neige peuvent avoir aussi bien une structure ouverte et donc légère qu'un aspect plus compact voisin de celui de la grêle, même si la formation de celle-ci n'a rien à voir avec celle de la neige.
La neige est aussi le dépôt des précipitations sur le sol ou sur un obstacle avant le sol (toit, arbre, ) : c'est le manteau neigeux[5]. Elle est donc toujours constituée d'un mélange de glace et d'air[6],[7], avec parfois (si sa température est proche de 0 °C) de l'eau liquide.
Le dépôt de ce matériau évolue, soit sur place en corniche, plaque ou névé, soit en mouvement en poudrerie ou en avalanche (ex : poudreuse / aérosol).
La neige apparait naturellement lorsqu'il y a conjointement dans l'atmosphère de la vapeur d'eau à saturation et beaucoup de froid. Elle disparait soit lorsque ses cristaux ou ses grains de glace fondent (par l'effet du rayonnement solaire et/ou de la température de l'air et/ou du flux géothermique), soit lorsque l'air contenu est quasi complètement évacué, par le tassement, vers un glacier.
Les canons à neige produisent de la neige artificielle, en réalité de minuscules grains de glace proches de la neige fondue. Cette technique est utilisée sur les pistes de ski intérieures, mais aussi dans les stations de sports d'hiver pour améliorer et prolonger l'enneigement des pistes.
La nivologie est la science de la neige.
Aspects physiques
Historique
Johannes 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
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 leur structure hexagonale, qui correspond à 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[8] :
- de 0 à -4 °C : minces plaques hexagonales[9] ;
- 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/m3, 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 de 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)[10].
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[11].
-
Plaquette hexagonale. -
Colonne -
Cristal à six pointes longues -
Cristal hexagonal présentant des extensions dendritiques. -
Cristal hexagonal de neige avec de larges branches. -
Cristal hexagonal type P1 observé à la loupe binoculaire. -
Empreinte de cristal de type P1b.
Les diverses générations d'un cristal d'eau dans la neige
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 les précipitations
- 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 les précipitations ne se déclenchent.
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 0 °C ou moins.
Conditions des précipitations
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 °C. 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.
Jour de neige
Un jour de neige est une période de 24 heures représentant un jour climatologique et au cours duquel on observe une chute de neige. Le nombre de jours et la quantité de neige annuels font partie du type de climat.
Évolution du manteau neigeux
L'accumulation de la neige au niveau du sol, par chutes de neige ou transportée par le vent, produit le manteau neigeux. Celui-ci est constitué de strates d'épaisseurs et de qualité de neige très variables, selon les conditions météorologiques de chaque hiver, selon l'altitude et l'exposition au soleil. Dans chaque strate les cristaux évoluent, se transforment plus ou moins rapidement : ce sont les métamorphoses de la neige.
Le manteau neigeux se réduit et disparait avec la fonte printanière.
Aspects écologiques
Bilan énergétique
L'énergie solaire contribue au réchauffement des sols de manière inégale. Un facteur important est l'albédo qui mesure la part réfléchie du rayonnement. L'albédo moyen sur Terre est de 0,28. Comme la neige fraîche est d'un blanc particulièrement pur, elle fait grimper l'albédo à 0,85. Cela implique une réflexion importante des rayons lumineux du Soleil, donc un moindre apport d'énergie. La neige ancienne gardant un albédo de 0,60, on comprend que les sols enneigés tendent à rester froids en surface, donc à garder leur manteau.
A contrario, les forêts de résineux profitent de leur albédo faible (0,12) et de la lumière réfléchie pour libérer leurs branches.
L'eau de neige
La neige se transforme très lentement en eau liquide. L'eau de neige pénètre donc beaucoup mieux dans le sol et profite davantage aux nappes phréatiques que l'eau de pluie.
Ce bénéfice est parfois contrarié par un radoucissement rapide accompagné de pluies, situation qui conduit souvent à des inondations parfois catastrophiques.
Rôle protecteur
La neige est un excellent isolant, car elle renferme une grande quantité d'air. Par sa présence, les écarts de température sont diminués et le sol gèle moins en profondeur. Souris et campagnols vivent dans l'espace subnival sombre et tranquille, se déplaçant sans cesse dans un réseau de tunnels et grignotant les tiges des plantes.
De même, la végétation couverte de neige est protégée des fortes gelées. Certaines plantes d'altitude continuent leur activité pendant l'hiver. Galanthus nivalis (un perce-neige) est capable de traverser une certaine épaisseur de neige pour fleurir. Quand l'épaisseur est trop forte, l'allongement des tiges se fait à l'horizontale et dans tous les sens et c'est seulement quand ils sont libérés que les pédoncules se redressent.
Les Inuits ont tiré profit de cette propriété pour leur maison de neige, l'igloo. De structure hémisphérique, l'habitation est construite en disposant des blocs de neige durcie. Le sommet est réservé à un bloc de glace translucide et le tout est consolidé avec de l'eau glacée. Même par -40 °C, la température intérieure au sol est de -5 °C. Toutefois, l'igloo n'est qu'une résidence de chasse temporaire et non la maison réelle de l'Inuit.
Pareillement, la neige abrite de petits animaux comme les vers de neige. Ceux-ci profitent des réserves d'air pour creuser de petits tunnels souterrains et se mettre à l'abri du gel.
Aspects géographiques
Sur la Terre, des zones sont enneigées, recouvertes de neige, essentiellement en fonction de leur latitude, de leur altitude, de leur exposition au soleil, de la saison.
Zones de neige
Il ne neige quasiment pas dans les régions équatoriales et tropicales. On a coutume de considérer que les 35e parallèles délimitent cette région où seules les montagnes reçoivent de la neige. Le Cayambe, sommet équatorien de 5 790 m, est régulièrement enneigé bien qu'il soit exactement à la latitude 0.
Plus on se rapproche des pôles, plus la nivosité augmente. Toutefois, la quantité de neige tombant dans les régions polaires est faible car la température y est trop faible. Par ailleurs, les zones côtières sont relativement épargnées par la neige.
C'est donc dans les régions tempérées, continentales et montagneuses qu'on relève des chutes record, comme les 145 cm en 24 h à Tahtsa Lake West en Colombie-Britannique, au Canada, en février 1999, ou les 193 cm en 24 h mesurés à Silver Lake (Colorado) en avril 1921.
Neiges éternelles
Quand la couverture neigeuse ne parvient pas à fondre totalement à la saison chaude, on parle classiquement de neiges éternelles ou plus exactement de neiges permanentes. Cette neige s'installe à des altitudes très variables en fonction de la situation géographique sur la Terre, de zéro à plus de 5 000 m, en fonction notamment de la latitude, de l'exposition au soleil du site et de l'accumulation hivernale de la neige. Cette situation existe sur la plupart des hauts sommets et près des pôles. Tassées et fondant partiellement, ces neiges se transforment en névés puis en glaciers. La glace continentale des pôles s'appelle inlandsis, les icebergs qui s'en détachent sont donc constitués d'eau douce, au contraire de la banquise qui se forme sur l'eau de mer. L'eau de mer se dessale en gelant (« expulsion » du sel vers les eaux plus profondes).
Le cas de la couverture de neige du Kilimandjaro, point culminant de l'Afrique, est souvent montré comme un révélateur du réchauffement de la planète[12]. Au cours du XXe siècle, elle a perdu 82 % de sa superficie[13]. Elle a perdu en moyenne 17 mètres d'épaisseur entre 1962 et 2000[14]. Elle est de plus en plus ténue et devrait disparaître totalement d'ici à 2020 selon les experts de la NASA[15] et le paléoclimatologue Lonnie Thompson, professeur à l'université de l'État de l'Ohio[16],[17],[18] ou d'ici 2040 selon une équipe scientifique autrichienne de l'université d'Innsbruck[19], voire 2050 pour la California Academy of Sciences.
Aspects économiques
Avantages
L'arrivée de la neige est source d'excitation chez les plus jeunes, pour qui la construction de bonshommes de neige ou la bataille de boules de neige sont des activités ludiques immédiates.
La neige offre de larges domaines glissants. Elle permet ainsi de nombreux loisirs plus ou moins sportifs : ski (alpin, de fond, extrême), luge, snowboard, raquette à neige. Dans les stations, les pistes sont damées et des moyens de transport sont prévus pour amener les skieurs (remontées mécaniques : téléskis, télésièges, téléphériques). L'engouement pour ces loisirs a motivé l'invention du canon à neige pour allonger la période du ski. Elle permet lors des fontes, de bien recharger les nappes phréatiques et de manière plus efficace que la pluie car cette dernière a souvent tendance à ruisseler ou à être absorbée par les plantes.
Les propriétés de glisse sont aussi utilisées dans les régions arctiques pour le déplacement et le transport par traîneau ou motoneige.
Inconvénients
La neige perturbe la circulation des véhicules, surtout quand elle tombe dans des régions inhabituelles. En France, les routes sont classées en quatre niveaux de priorité, les routes de niveau 1 étant traitées 24 h sur 24 si nécessaire. Un traitement préventif est possible par épandage de saumure. Le traitement curatif est basé sur le raclage suivi d'un salage. La quantité de sel est limitée en raison de la pollution engendrée. Cette saumure a aussi tendance à favoriser la corrosion des véhicules.
On utilise un chasse-neige pour déblayer les routes.
En hiver, de nombreux cols sont fermés à la circulation de façon plus ou moins durable ou restreints aux véhicules équipés de chaînes à neige. Les cols les plus élevés ont une fermeture annuelle programmée.
Dans certains lieux, en cas de chute de neige, chacun est requis de déblayer le trottoir devant son habitation. Les pouvoirs publics tentent régulièrement de responsabiliser les citadins en les déclarant responsables si un accident survient à un piéton. Pourtant, légalement, il est impossible d'incriminer un particulier pour un accident de circulation survenu sur un lieu public dû à la neige ou au verglas en son absence et sans qu'il y soit impliqué. Chacun doit veiller à sa propre sécurité et les pouvoirs communaux sont tenus d'entretenir les voies de circulation en bon état[Où ?].
En cas de nivosité inhabituelle, le poids de la neige peut entraîner des surcharges de certaines constructions. Les câbles et pylônes électriques peuvent être endommagés par l'accumulation de neige collante, entraînant des coupures de courant. Dans ce cas le poids peut dépasser les 20 kg/m de conducteur électrique. La masse habituelle oscille entre 100 g à 5 kg/m de conducteur électrique[20].
Au Québec et dans plusieurs régions du Canada, l'hiver 2007-2008 passera à l'histoire comme étant celui des records de neige. L'exemple le plus spectaculaire est celui de la ville de Québec qui aura reçu 558 cm de neige, alors que la quantité moyenne reçue durant un hiver est de 316 cm. Cependant, la ville de Sept-Îles, située plus au nord, a reçu un record de 762 cm durant l'hiver 1968-1969[21].
Neige et environnement
La neige joue un rôle climatique important de par son albédo et sa place dans le cycle de l'eau. Quand la couche est épaisse et durable, elle limite les capacités d'alimentation d'un certain nombre d'espèces. De plus leurs traces visibles rendent leur chasse plus facile. En France en temps de neige la chasse du petit gibier sédentaire est en théorie interdite. En pratique, il est parfois difficile de différentier chez les oiseaux les petits migrateurs des sédentaires.
Une espèce d'éphémère émerge de l'eau en hiver, et peut être aperçue sur la neige. C'est peut-être une stratégie payante retenue par l'évolution et la sélection naturelle, permettant à l'insecte d'émerger puis pondre à un moment où ses prédateurs habituels (surtout des oiseaux et chauve-souris insectivores) sont absents ou endormis.
Le sel de déneigement a des impacts environnementaux encore mal cernés, mais a priori devenus non négligeables.
Unicode
En Unicode, il existe plusieurs symboles relatifs à la neige dans la table « casseau »[22] :
- U+2744 : ❄, flocon de neige
- U+2745 : ❅, flocon de neige à trois folioles transpercé
- U+2746 : ❆, gros flocon de neige à chevrons
Calendrier républicain
- Dans le calendrier républicain, la Neige était le nom attribué au 1er jour du mois de nivôse[23].
Notes et références
- M. J. Jung, Bulletin des sciences agricoles et économiques, t. XV, Paris, Firmin Didot, coll. « Bulletin universel des sciences et de l'industrie », , 384 p., p. 298
- G. Oscar Villeneuve, Glossaire de météorologie et de climatologie, Les Presses de l'Université Laval, , 653 p. (ISBN 2763768962), p. 233
- Magdeleine Moureau et Gerald Brace, Dictionnaire des sciences de la terre : Comprehensive dictionary of earth science, Paris, TECHNIP, , 1035 p. (ISBN 2710807491), p. 467
- Gabriel Lamé, Cours de physique de l'École polytechnique, vol. 1, Paris, Bachelier, , 2e éd., 564 p., p. 528
- Collectif, Règles NV 65 modifiées 99 et N 84 modifiées 95 : Règles définissant les effets de la neige et du vent sur les constructions, Paris, Eyrolles, , 13e éd. (ISBN 2212145802)
- Jean Charles Thilorier, Système universel : De l'univers et de ses phénomènes, t. III, Paris, , 442 p., p. 159
- Benoît Ildefonse, Catherine Allain et Philippe Coussot, Des grands écoulements naturels à la dynamique du tas de sable : Introduction aux suspensions en géologie et en physique, , 255 p. (ISBN 2853624854), p. 90
- Philippe Beaucage, « Considération sur la nature des cristaux de neige », Rapport de stage -- Été/Automne 2001, Université de Montréal (consulté le )
- Organisation météorologique mondiale, « Plaque » (consulté le )
- Ivan Dubé (Service météorologique du Canada - Région du Québec), « De mm à cm... Étude des rapports neige/eau liquide au Québec », Note technique, UCAR, (consulté le )
- Article paru dans la revue Science du 29 février 2008
- Shardul Agrawala, Contre vents et marées : les politiques de développement face au changement climatique, Organisation de coopération et de développement économiques, OECD Publishing, 2005 (ISBN 9264013784), pages 104-111
- Simon Pomel, Guilène Réaud-Thomas, Kilimandjaro : montagne, mémoire, modernité, op. cit., pages 58-64
- (en) Tanzania - Mt. Kilimanjaro - Glacier retreat, National Science Foundation's Earth System History Program, 2000
- (en) Snow and Ice on Kilimanjaro, NASA
- (en) Earle Holland, African ice core analysis reveals catastrophic droughts, shrinking ice fields and civilization shifts, Research,
- (en) Kevin Krajick, Ice Man: Lonnie Thompson Scales the Peaks for Science, Science, vol. 298. n° 5593, , pages 518-522
- (en) Lonnie G. Thompson, et al., Kilimanjaro Ice Core Records: Evidence of Holocene Climate Change in Tropical Africa, Science, vol. 298. n° 5593, , pages 589-593
- (en) Jonathan Amos, Kilimanjaro's ice set to linger, BBC News, Vienne,
- Norme ISO 12494 de 2001, Tableau 3
- L'hiver en chiffres sur le site de Météomédia
- Table des caractères Unicode - casseau (Intervalle : 2700–27BF), sur le site d’Unicode.
- Ph. Fr. Na. Fabre d'Églantine, Rapport fait à la Convention nationale dans la séance du 3 du second mois de la seconde année de la République Française, p. 22.
Voir aussi
Bibliographie
- Kenneth Libbrecht, « La formation des cristaux de neige », Pour la Science, no 352, février 2007, pp. 32-39.
- Kenneth Libbrecht, Ken Libbrecht's Field Guide to Snowflakes, Saint-Paul (Minnesota), MBI Pub., 2006, 112 p. (ISBN 9780760326459)
Articles connexes
- Activités
Liens externes
- Association nationale pour l'étude de la neige et des avalanches (ANENA)
- Les Esquimaux ont des centaines de mots pour dire neige sur Tatoufaux
- (en) Snow Crystals
- (fr)+(de) Association (suisse) pour la formation neige et avalanches (ALPdidact)
