Neige

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Paysage enneigé au col de Shipka en Bulgarie.
Neige dans le Luberon (France).
La neige fraîche sur une branche mince Cracovie (Pologne)

La neige est une forme de précipitation, constituée de glace cristallisée et agglomérée en flocons pouvant être ramifiés d'une infinité de façons. Puisque les flocons sont composés de petites particules, ils peuvent avoir aussi bien une structure ouverte et donc légère qu'un aspect plus compact voisin de celui de la grêle, même si celle-ci n'a rien à voir dans sa formation. La neige se forme généralement par la condensation de la vapeur d'eau dans les hautes couches de l'atmosphère et tombe ensuite plus ou moins vite à terre selon sa structure.

Les canons à neige produisent de la neige artificielle, en réalité de minuscules grains proches de la neige fondue. Cette technique est utilisée sur les pistes de ski intérieure, mais aussi dans les stations de sports d'hiver pour améliorer l'état des pistes.

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[1].

Sommaire

Aspects physiques

Historique

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

Cristaux de neige, photographiés par Wilson Bentley (1865-1931)

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 la structure hexagonale. Elle provient d’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 :

  • de 0 à -4 °C : minces plaquettes hexagonales ;
  • 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 par mètre cube, 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 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)[2].

Cycle de vie d'un cristal

La formation et l'évolution des cristaux intègrent :

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 la précipitation ne se déclenche.

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 °C ou moins.

Conditions de la précipitation

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 degrés. 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.

Autres conditions au sol

Celles-ci ne peuvent être schématisées ; il suffit de penser à la diversité tant des quantités de neige que des variations météorologiques pour imaginer les innombrables possibilités de dissipation des cristaux. Chaque communauté humaine, en fonction de ses impératifs, dispose d'une culture propre à décrire les formes typiques de ces éventualités.

Évolution du manteau neigeux

Une neige subite.

Selon le profil de température que doit parcourir le flocon entre sa formation et son arrivée au sol, on aura un ou des types de cristaux favorisés. Lorsque le profil est assez chaud et humide, on aura formation de gros flocons qui emprisonnent peu d'air et donne de la neige très dense. Le rapport entre le nombre de centimètres accumulés dans ce cas et l'eau qu'ils contiennent est très faible, de l'ordre de 4 à 8 mm de neige pour 1 mm d'eau. Par température froide, l'inverse se produit et on peut facilement obtenir un coefficient de 25:1 pour la neige poudreuse. La moyenne climatologique est de 10:1, soit 1 cm de neige pour 1 millimètre d'eau contenue.

La neige fraîchement tombée est sujette à l'action du vent, surtout si elle est très légère. Ceci donne la poudrerie au Canada, appelée ailleurs chasse-neige élevée, et dans un cas extrême le blizzard. Elle peut se concentrer en dunes nommées bancs de neige (Canada) ou congères (Europe). Ce n'est pas le cas de la neige de printemps, compacte et riche en eau, amenée à fondre sur place. En montagne, le vent est à l'origine de corniches qui peuvent piéger les randonneurs.

La neige n'est pas un matériau inerte. Elle est au contraire en constante évolution et ne cesse de se transformer, soumise à l'action de son propre poids qui la tasse, ainsi qu'aux différences de températures entre le jour et la nuit. Si la pente est raide, le manteau peut devenir instable et générer des avalanches.

La métamorphose d'isothermie

Elle se déroule lorsque le gradient thermique au sein de la couche est faible, inférieur à 5 °C par mètre. À cause des déséquilibres de vapeur saturante, les dendrites se détruisent au profit du centre du cristal. Les cristaux s'arrondissent et leur taille se calibre. On les appelle grains fins. Les contacts ainsi créés entre eux correspondent à la formation de ponts de glace qui soudent les cristaux les uns aux autres. C'est le phénomène de frittage. La couche de neige gagne en cohésion et en densité.

La métamorphose de gradient moyen

Elle apparaît quand le gradient thermique au sein de la couche est compris entre 5 et 20 °C par mètre. On observe également un transfert de matière par sublimation / congélation mais la direction privilégiée est la verticale, du bas vers le haut. Les cristaux se transforment en grains à face planes.

La métamorphose de gradient fort

Lorsque le gradient thermique est supérieur à 20 °C par mètre, le flux de vapeur au sein de la couche de neige devient très fort. Après une dizaine de jours, il y a apparition de gobelets, ou givre de profondeur, qui peuvent atteindre plusieurs millimètres de diamètre. Le manteau devient alors très instable, se trouvant sur un véritable roulement à billes.

La métamorphose de fonte

Elle se traduit par l'apparition d'eau liquide au cœur du manteau neigeux. Elle est provoquée par une chute de pluie ou un redoux prolongé. Il se forme des agglomérats dits grains ronds (« gros sel ») qui rendent le manteau neigeux très instable.

Le fait d'hydrater la neige ne provoque pas nécessairement sa fonte immédiate.

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 fonte de la 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

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 le froid y est trop vif. 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 de neiges éternelles. Cette neige s'installe à des altitudes très variables en fonction de la situation géographique, de zéro à plus de 5000m. 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 du Kilimandjaro, point culminant de l'Afrique, est révélateur du réchauffement de la planète. Les scientifiques estiment qu'il pourrait perdre ce qui lui reste de calotte glaciaire et de neiges éternelles d'ici 2020. En un siècle, la calotte de glace a perdu 82%.

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 (téléskis, télésièges, téléphériques). L'engouement pour ces loisirs a motivé l'invention du canon à neige pour allonger la période du ski.

Les propriétés de glisse sont utilisées dans les régions arctiques pour le déplacement et le transport par traîneau ou motoneige.

Inconvénients

Article détaillé : Déneigement.
Chasse-neige dans la ville de Québec.

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 ?].

La neige abondante au Québec durant l'hiver 2007-2008 cause des problèmes de déneigement et crée des accumulations importantes devant les maisons.

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[réf. nécessaire].

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 plus de 500 cm de neige, alors que la quantité moyenne reçue durant un hiver est d'environ 300 cm.

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.

Autres allusions

Dans la mythologie grecque la neige est personnifiée sous les traits de Chioné, fille de Borée[3].

La neige se retrouve dans plusieurs expressions :

  • « blanc comme neige », au sens propre (couleur) ou figuré (innocence).
  • « cheveux de neige », cheveux blancs.
  • « fondre comme neige au soleil », disparaître rapidement.
  • « les neiges d'antan », celles de l'an passé, donc une chose oubliée.

Et par analogie :

Unicode

En Unicode, il existe plusieurs symbole relatifs à la neige dans la table « casseau »[4] :

  • U+2744 : , flocon de neige
  • U+2745 : , flocon de neige à trois folioles transpercé
  • U+2746 : , gros flocon de neige à chevrons

Notes et références

  1. Article paru dans la revue Science du 29 février 2008
  2. (fr)Ivan Dubé (Service météorologique du Canada - Région du Québec), « De mm à cm... Étude des rapports neige/eau liquide au Québec », Note technique, UCAR, Mars 2003. Consulté le 2009-03-07
  3. La Petite Abeille n° 36 ps 8-9
  4. Table des caractères Unicode - casseau (Intervalle : 2700–27BF), sur le site d’Unicode.

Voir aussi

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Bibliographie

  • La formation des cristaux de neige, Kenneth Libbrecht, Pour la Science, février 2007, p 32-39
  • Ken Libbrecht's Field Guide to Snowflakes, Kenneth Libbrecht, Voyageur Press. 2006.

Articles connexes

Activités

Liens externes


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