La neige

LE MEDIUM : LA NEIGE

Sa structure

Les cristaux de neige sont des cristaux de glace qui se forment dans l’atmosphère. Pour qu’il y ait création de cristaux de neige, 4 conditions doivent être rassemblées:
  1. Un nuage avec une forte concentration en vapeur d’eau;
  2. Des températures atmosphériques très basses;
  3. Une pression en dessous 610 Pa;
  4. La présence de noyaux de condensation dans l’atmosphère ambiant (sable, cendre, etc).

 

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Diagramme de phase de l’eau (Source : Université Paris-Diderot)

 

Dans le nuage en haute altitude, donc froid, la vapeur d’eau se condense directement en cristaux de glace sur les particules présentes dans l’air, en court-circuitant la phase liquide. Prétextant que les cristaux traversent, en route vers le sol,  une série de couches atmosphériques avec des températures inférieures à 0°C, ils formeront, en s’agglutinant, une série de branches glacées autour des cristaux, prenant ainsi la forme caractéristique de « flocons » de neige. Comme stipulé par le vieil adage, tous les flocons sont différents, sauf que tous ont une structure hexagonale (Six faces). Si la neige atteint le sol et que la température au sol est supérieure à 0°C, on aura droit à de la neige fondante.

L’on peut les classifier sous 5 formes différentes. Ces formes sont une bonne indication de la température à laquelle le flocon a été formé. Évidemment, en tombant vers le sol, le flocon d’origine peut s’amalgamer avec d’autres flocons de neige, modifiant du même coup son apparence finale. Rendu au sol, il sera alors la combinaison des 5 formes de base. Si le flocon traverse une couche d’air plus chaud, il aura l’air d’une grosse goutte plutôt que d’un flocon aux contours bien définis. En fait, en étudiant la forme d’un flocon, on peut en apprendre beaucoup sur la température de l’altitude à laquelle il a été formé ainsi que sur les différentes couches d’air qu’il a traversées pour se rendre au sol.

  • De 0 à -4 C : ils ont la forme d’assiettes minces hexagonales;
  • de -4 à -6 C : ce sont des aiguilles;
  • de -6 et -10 C : ils ressemblent à des colonnes creuses;
  • de -10 à -12 C : les assiettes ressemblent maintenant à des flocons à 6 pointes;
  • de -12 à -16 C :  ils ont la forme d’une dendrite.

 

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Courbe de formation des différents cristaux (Source : Université Paris-Diderot)

 

Son importance

La neige est une précipitation solide présente sous forme de cristaux de glace. Au Canada, une proportion majeure des précipitations annuelles est sous forme de chute de neige. Selon Environnement Canada, 50% des précipitations en milieu nordique tombent sous forme de neige.

Une fois au sol, son accumulation devient considérée comme une réserve d’eau. C’est d’ailleurs cette réserve en eau que l’on nomme ÉÉN: Équivalent en eau de la neige (En anglais – SWE: Snow water equivalent). La dynamique entre le manteau neigeux et le climat a une influence marquée sur la distribution des débits dans les cours d’eau. Pendant quelques mois, la neige est stockée au sol, non sujette a la fonte, créant ainsi une réserve importante d’eau. Lors de la fonte, c’est cette réserve qui influence et alimente en grande partie les cours d’eau.

La vitesse de la fonte et son intensité influe évidemment sur l’importance des variations de débits. Une fonte rapide implique bien souvent des débits de pointe et de surcroît, des inondations. Combinées à l’effet des glaces dérivantes, l’on fait souvent face à l’apparition d’embâcles sur les rivières.

La distribution de neige dépend de la proximité des sources d’humidité. Par exemple, la précipitation totale de neige est plus grande le long des régions côtières comme en Colombie-Britannique où il tombe en moyenne 1000 cm de neige par an dans les Rocheuses du nord de la province tandis qu’elle est plus fiable, soit seulement 100 cm par an dans l’Arctique. Selon l’Encyclopédie Canadienne, le record de chute neigeuse dans l’espace d’un mois – 535,9 cm en décembre 1959 – revient à Haines Apps (C.-B.).

Les avalanches sont parmi les effets les plus impressionnants du métamorphisme du manteau neigeux. Le métamorphisme menant à une avalanche résulte d’une loi physique fondamentale : des flux de masse et d’énergie s’établissent entre les zones à haute concentration vers les zones à basse concentration.

Le manteau neigeux est constitué de couches de neige formées par :

  • Des variations de température, de vent et d’humidité durant les tempêtes
  • Le soleil, les vents, le degré d’humidité, les températures et la pluie qui affectent les couches de neige de surface et transforment les cristaux de neige.
  • La métamorphose des couches de neige intermédiaires (sous la surface) résultant des conditions internes du manteau neigeux (telle que la température, la pression)

Les facteurs qui induisent des changements dans les couches de neige du manteau neigeux sont présents en tout temps; par conséquent, les couches de neige sont en constant changement. Ces changements peuvent s’avérer rapides (c.-à-d. une couche de gel-dégel en surface) ou lents (c.-à-d. une métamorphose à long terme des couches de neige intermédiaire).

Le rapport surface/masse des flocons de neige étant très élevé, ceux-ci sont dans un état d’énergie de surface élevée. Lorsqu’un flocon se dépose au sol, les molécules d’eau migrent pour diminuer cet excès d’énergie libre, engendrant une transformation rapide des cristaux en forme d’étoile en un agrégat de grains lisses arrondis, oblongs ou de forme irrégulière. Ce processus est prédominant lors des premiers stades de déposition de la neige et sa vitesse augmente avec la température de la neige. Au cours de ce processus, la vapeur d’eau fabrique aussi des ponts de glace entre les grains adjacents, une étape que l’on appelle le frittage. Le frittage lie fortement les grains entre eux et donne une neige dense et dure. Le vent compacte la neige et peut aussi créer une couche superficielle de grande densité appelée « plaque à vent ».

Un gradient thermique existe dans le manteau neigeux du au fait que la neige est un bon isolant. La vapeur d’eau dans la neige en grains de la couche de surface se déplace donc vers la neige située dans les strates rapprochées du sol dans le manteau neigeux. Ce processus est responsable de la formation de gros cristaux arrondis – appelés « neige granulée de profondeur ». Cette neige n’est que faiblement liée, ce qui contribue à augmenter le risque d’avalanche dans les régions montagneuses.

Pour en apprendre plus sur les avalanches : Cours en ligne d’Avalanche-Canada

Interaction signal/médium

La glace et l’eau font généralement preuve d’un haut degré de réflexion aux longueurs d’ondes visibles dites VIS (de 0,4 à 0,75 µm environ), d’une réflexion moindre dans le proche infrarouge ou NIR (de l’anglais « Near InfraRed », longueurs d’onde d’environ 0,78 à 0,90 µm) et d’une réflexion très faible dans l’infrarouge à ondes courtes ou SWIR (de l’anglais « ShortWave InfraRed », longueurs d’onde d’environ 1,57 à 1,78 µm). La faible réflexion de la glace et de la neige dans le SWIR est liée à leur teneur en eau liquide microscopique (le VIS et le NIR sont souvent regroupés sous l’abréviation VNIR). Cependant la réflexion caractéristique varie avec la composition réelle du matériau concerné et diffère donc pour la neige, le névé, la glace de glacier et la glace de glacier sale.

QUELS PARAMÈTRES OBSERVER ?

Le manteau neigeux présente une grande variabilité dans sa structure, rendant sa mesure difficile et souvent onéreuse. Au sud du pays, des mesures de l’épaisseur du manteau neigeux sont effectuées de manière régulière à certaines stations météorologiques. Or, ces sites sont surtout concentrés dans les régions les plus peuplées, généralement à basse altitude, ce qui signifie que malgré ces mesures, il est difficile d’obtenir une représentativité spatiale de la variabilité réelle du manteau, partout sur le territoire. Certaines agences, comme Hydro-Québec, mesurent régulièrement l’épaisseur et la densité de la neige sur une série de points, méthode nommée méthode de ligne de relevés d’enneigement (En anglais – Snow course).

Pour obtenir une vision d’ensemble du territoire, les satellites de télédétection permettent d’observer le manteau neigeux de l’espace. Les satellites RSO et micro-ondes passifs sont particulièrement utiles car ils peuvent aider a dresser la carte de l’ÉÉN sous toutes les conditions météorologiques de par leur capacité à pénétrer le couvert de neige. Pour calculer l’étendue de la couverture neigeuse, l’utilisation des satellites imageurs dans les longueurs d’ondes optiques s’avère intéressante car elle offre une bonne répétitivité (Résolution temporelle) ainsi qu’une bonne capacité à discerner la neige du reste de la scène.

LES PARAMÈTRES OBSERVÉS :

  1. Équivalent en eau de la neige (RSOUn radar à synthèse d’ouverture (RSO) est un système radar cohérent générant des images de télédétection à haute résolution. Pour créer une image, on utilise l’amplitude et la phase du signal reçu de plusieurs impulsions successives pour simuler une plus grande ouverture (ou dimension) d’antenne, d’où le terme «synthèse d’ouverture». et micro-ondes passifs)
  2. Étendue du couvert neigeux (Optique).

EXERCICE PRATIQUE : SUIVI DU MANTEAU NEIGEUX DANS LE NORD QUÉBECOIS (MONT TORNGAT)

Étapes de l’exercice pratique :

  1. Récupérer les images Landsat Surface Reflectance L8 OLI/TIRS des monts Torngat (Path:12, Row:19) sur les serveurs de la NASA grâce à l’outil EarthExplorer. Ces données ont comme avantage d’être déjà corrigées pour les effets de l’atmosphère par l’algorithme L8SR.
    • Téléchargez les produits des  2014/4/19, 2014/5/5, 2014/6/6 et 2014/6/22.EarthExplorer
    • Les bandes spectrales de Landsat-8 sont les suivantes :
      Bande Longueur d’onde (um)
      Usage
      Bande 1 – Aérosol et côtes 0.43 – 0.45 Études côtières et aérosols
      Bande 2 – Bleue 0.45 – 0.51 Cartographie bathymétrique, distinction sol/végétation et végétation feuillue/conifère
      Bande 3 – Verte 0.53 – 0.59 Vigueur des végétaux
      Bande 4 – Rouge 0.64 – 0.67 Discrimination des « pentes » végétales
      Bande 6 – Proche infrarouge (PIR) 0.85-0.88 Emphase sur la biomasse et les traits de côtes
      Bande 6 – Infrarouge ondes courtes 1 (SWIR) 1.57 – 1.65 Discrimination de l’humidité du sol et des végétaux , pénètre les nuages fins
      Bande 7 – Infrarouge ondes courtes 2 (SWIR) 2.11 – 2.29 Discrimination accrue de l’humidité du sol et des végétaux , pénètre les nuages fins
      Bande 8 – Panchromatique 0.50 – 0.68 Résolution spatiale accrue à 15m
      Bande 9 – Cirrus 1.36 – 1.38 Détection de la contamination de l’image par les cirrus
      Bande 10 – Infrarouge thermique 1 10.60 – 11.19 Cartographie de l’humidité du sol et cartographie thermique à 100m
      Bande 11 – Infrarouge thermique 2 11.5 – 12.51 Cartographie améliorée de l’humidité du sol et cartographie thermique à 100m
  2. Pour détecter la présence de neige à la surface de chaque scène, utilisez le ratio spectral NDSI (Normalized Difference Snow Index) . Le calcul se réalise sous QGIS avec la calculatrice raster. Avec Landsat-8, les bandes à utiliser sont les bandes 3 (Verte) et 6 (SWIR-1).

 

 

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RESSOURCES VIDÉO EN FRANÇAIS

DEDIEU VIDEO Langlois-Snowpit LAHOUCINE VIDEO
Mesures du manteau neigeux

(JP. DEDIEU)

Prévision des avalanches

(A. LANGLOIS)

Équivalent en eau

(L. HANICH)

Documentaire sur la neige  La neige et ses metamorphoses  Les sciences de la neige
Documentaire sur la neige La neige et ses métamorphoses (1973) Les sciences de la neige (2012)

 

LITTÉRATURE

 

Nolin Frei hall
Nolin (2010) Recent advances in remote sensing of seasonal snow Frei (2012) A review of global satellite-derived snow products Hall (2002) MODIS Snow Cover Product
Salomonson PHOTO PHOTO
Salomonson (2004) Estimating fractional snow cover from MODIS using the normalized difference snow index TITRE TITRE