[PGRN] [Programme de recherche départemental]

Projet CG38 - PGRN piloté par le CEN / CNRM Météo-France

Titre du projet

Observation tridimensionnelle de la structure de la neige humide

Type d'aléa
Glace, neige et avalanches
Année

1995

Mots-clés
Avalanche de fonte - Neige humide - Structure microscopique - Observation tridimensionnelle - Coupes sériées - Courbures - Méthodologie
Champs disciplinaires
Nivologie, imagerie 3D, physique des interfaces


1) Organismes et auteurs


Organisme pilote
Météo France CEN
Organisme(s) associé(s)
*
Coordonnateur
Cécile COLEOU
Participants
J.B. BRZOSKA, B. LESAFFRE


2) Contexte du projet


Site(s) d'étude
*
Contexte de l'étude
Le déclenchement des avalanches de fonte est très lié à la façon dont l’eau percole à travers le manteau neigeux. L’eau qui pénètre dans une couche de neige peut modifier brutalement ses caractéristiques et la fragiliser. Une meilleure connaissance des phénomènes d’humidification de la neige est une étape nécessaire pour améliorer la prévision du risque de départ de ce type d’avalanche. Une approche possible est d’étudier la structure de la neige à petite échelle et en particulier de déterminer la courbure des grains puisque les propriétés capillaires d’un milieu poreux dépendent de la courbure locale de sa surface.

C’est l’objet de ce projet dont le financement par le PGRN a permis de compléter l’équipement d’un banc d’observations de coupes sériées de neige en lumière réfléchie. Ainsi, une série de coupes d’un échantillon de neige humide, espacées régulièrement, a pu être réalisée. En superposant l’ensemble de ces coupes, une « image » tridimensionnelle de neige a été obtenue. Pour traiter ces images, un logiciel de calcul de courbures tridimensionnelles d’un objet a été développé et appliqué à l’image de neige. Les résultats obtenus sont très satisfaisants et permettent d’envisager d’autres utilisations possibles de cette technique d’observation de coupes. A court terme, des expériences devaient être menées pour comparer des images de la structure de la neige obtenues par des techniques d’imagerie sans contact (tomographie X, RMN) à des images de coupes sériées des mêmes échantillons. A plus long terme, cette méthode d’observation et de traitement d’images trouvera des applications dans d’autres domaines de la neige, notamment en mécanique.

Le CEN disposait depuis plusieurs années de moyens d’observation de coupes minces de neige en lumière transmise. Des premiers travaux avaient permis de mettre au point une méthode de visualisation de k’eau liquide présente dans la neige humide. En regelant brusquement un échantillon de neige humide, de petites bulles d’air restent piégées dans les zones d’eau regelées, on peut alors distinguer ces zones de celles des grains en observant une coupe mince de l’échantillon en lumière transmise. Pour accéder à la structure tridimensionnelle de la neige, il fallait pouvoir observer des coupes planes successives (coupes massives), ce qui a été réalisé grâce l’équipement complété avec le soutien du PGRN.
Programme plus vaste
Programme du CEN axé sur les propriétés physiques de la neige humide
Initiation du projet
Participation du PGRN
Montant du financement (k€)
4,573 k€ (30 kF)
Part du CG38 - PGRN
5-10 %
(Co)-Financements
 
Appréciation du rôle du financement CG38 - PGRN
Complément de financement du dispositif expérimental : a permis de s’équiper d’une partie du système d’éclairage coaxial (lampe à arc au xénon) afin de compléter le banc d’observation de coupe en lumière réfléchie.


3) Objectifs, méthodes et résultats

Objectifs
La prévision du risque d’avalanche a beaucoup évolué les années antérieures, notamment avec l’utilisation de modèles numériques pour simuler l’évolution du manteau neigeux et des risques d’avalanche. Cependant, certains aspects demeuraient mal connus. C’est le cas des phénomènes liés à l’humidification de la neige ; comment l’eau s’infiltre-t-elle dans le manteau neigeux, pourquoi est-elle bloquée par certaines strates, provoquant parfois le déclenchement d’avalanches de fonte ? Pour mieux comprendre ces phénomènes et à terme mieux les prévoir, un moyen était d’étudier ce qui se passe à l’échelle microscopique, pour étudier comment l’eau se répartit autour et entre les grains.
Méthodologie
A) Image tridimensionnelle d’un échantillon de neige humide

1) Préparation d’un échantillon dans un caisson isotherme à 0°C, où de la neige naturelle est tamisée, et de l’eau à 0°C est amenée par le fond du caisson (par siphonage) puis enlevée à la fin du trempage. De cette manière, à chaque plan horizontal de l’échantillon correspond un même temps de contact avec l’eau. Les échantillons de mesure sont prélevés au centre de cet échantillon de neige humide, bénéficiant ainsi d’une isolation complémentaire, thermique et hygométrique, constituées des bords mêmes de l’échantillon de départ. Le prélèvement consiste en 2 carottages contigus réalisés et traités au même instant, l’un par calorimétrie froide (détermination de la quantité de chaleur nécessaire au regel de toute l’eau), l’autre préparé pour la coupe sériée.

2) Coupes sériées : La 1ère carotte fournit directement la teneur en eau liquide (TEL) globale de la neige prélevée, tandis que la seconde est laissée à regeler en chambre froide (1 h à -5°C). Elle est ensuite imprégnée par siphonnage à -4°C d’ortho-phtalate d’éthyle puis la chambre froide est mise à -20°C jusqu’à la fin de la coupe en série. Après congélation de l’ensemble (6h), une tranche d’environ 1 cm d’épaisseur est sciée puis placée sur un microtome à lame sur chariot. La prise de vue a lieu à même la coupe, en réflexion spéculaire à partir d’un dispositif d’éclairage coaxial (technique métallographique).

3) Mise en forme de l’image 3D : détourage manuel des images (64 plans de coupe de 512?512 pixels de 5 µm) en niveaux de gris pour obtenir des images binaires (2 semaines de traitement), interpolation d’un plan de coupe sur deux afin de produire un fichier binaire de 1283 voxels d’une résolution isotrope sur les 3 axes (20 µm). Chaque contour interpolé est le squelette 2D élagué de la surface inscrite entre les contours issus de 2 plans expérimentaux consécutifs.

B) Calcul des courbures tridimensionnelles

Les propriétés capillaires d’un milieu poreux sont gouvernées par la courbure tridimensionnelle de sa surface, paramètre difficile à extrapoler d’une coupe (bidimensionnelle) de l’objet. Par ailleurs, sa prise en compte nécessite une description fine de la géométrie des pores, donc une image 3D à haute résolution : le volume de données à manipuler devient rapidement un obstacle sérieux au calcul numérique (mémoire, temps de calcul) pour des objets réels. La neige est un cas particulier de matériau poreux pour lequel l’influence de la courbure est exacerbée. D’une part, la distribution de taille des pores est très resserrée, située entièrement dans le domaine capillaire : 0,1 – 1 mm quel que soit le type de neige. D’autre part, la structure de la neige se modifie en fonction de l’environnement (champs de T° et d’humidité, présence ou apport d’eau liquide si l’on est à 0°C…).. A l’exception de la condensation rapide de vapeur d’eau (qui produit un facettage des grains de neige), toutes ces modifications de structure sont elles aussi gouvernées par la courbure des interfaces, qu’il s’agit donc de décrire numériquement.

1) Principe de la méthode CEN : utiliser la notion de squelette d’une forme, issue du traitement d’image, pour localiser le vecteur normal (n) à la surface de l’objet 3D en tout point, puis tracer 2 plans perpendiculaires contenant n et calculer les rayons de courbure des 2 arcs obtenus pour avoir la courbure tridimensionnelle ; ces calculs se font tous en 2D et mobilisent peu de données en mémoire, chaque point étant traité indépendamment de ses voisins. Le type de squelette utilisé (axe médian non connecté) est le lieu géométrique des centres des plus grandes sphères tangentes à l’objet.

2) Obtention de la carte des courbures de l’échantillon de neige : application du code de calcul validé sur des formes simples (sphère, surface à courbure nulle) à l’échantillon de neige en 3D. La procédure complète (détermination de l’axe médian non connecté, puis calcul des courbures) a été appliquée sur l’objet (les grains), puis sur son complémentaire (les pores).
Résultats
Sur la carte 3D des courbures de l’échantillon de neige, calculées à partir des rayons de courbure principaux en chaque point (en 2D), les régions où les valeurs de courbure sont négatives figurent bien des ménisques d’eau et toutes ces zones concaves sont de courbures voisines. Cette observation semble compatible avec la capillarité qui doit égaliser les pressions (et donc les courbures) là où il y a (eu) de l’eau liquide. Le traitement statistique du fichier des courbures a permis de comparer ces courbures 3D avec les rayons convexes moyens (reliés aux courbures 2D) issus du traitement automatique de grains effectué sur cette neige au CEN (concordance relativement bonne).
Le développement de cette méthode de coupes sériées ouvre donc un nouveau champs d’investigation pour étudier la structure de la neige.


4) Débouchés du projet

Utilisateurs finaux potentiels
Chercheurs CEN
Production scientifique
- Méthodologie innovante
- Production de connaissances théoriques
- Production de connaissances pratiques / opérationnelles
Produits délivrables
*
Partenariats
*
Retombées du projet
Depuis 1999, les images 3D sont faites à l’ESRF (European Synchrotron Radiation Facility).
Maintenant, des scanners x 3D arrivent sur le marché : « il n’y a plus besoin de ça »…

Tous les ans une manip. est effectuée sur la structure 3D de la neige, mais les outils expérimentaux sont en panne depuis 2004 (problèmes techniques avec la chambre froide, qui en est à sa deuxième reconstruction).

Programme ANR 2006 : Projet « Etude des mécanismes de déformation de la neige par microtomographie et simulation numérique » porté par le LGGE avec le CEN, le laboratoire 3S et le Cemagref (co-partenaires), d’une durée de 3 ans. Le budget de ce programme est d’environ 400 k€, avec environ 100 k€ pour le CEN (qui vont permettre de payer un post-doc pendant 1-1,5 an).

En outre, le CEN et le LGGE projettent de travailler sur les géomatériaux et la géomécanique pour faire de la mécanique 3D…



5) Valorisation du projet

Publications et communications
- « Visualisation of water in wet snow in thin sections », Présentation de C. Coléou à Mini-Symposium on Infiltration, percolation and runoff in snowpacks and soils. Zurich 1995.

- « Visualisation de neige humide en coupe par regel rapide », Présentation de J.B. Brzoska à la reunion de la Société Hydotechnique de France, Grenoble 1996.

- Brzoska J.B., Coléou C., Lesaffre B. (1996) : “Réalisation et observation de tranches minces de neige humide par trempe”, article paru dans L’Actualité Chimique 5, 5-10.

- Brzoska J.B., Coléou C., Lesaffre B. (1997) : “Thin sectioning of wet snow after flash-freezing”, article paru dans Journal of Glaciology 43 (14).

- “Calibration d’une méthode de visualisation de l’eau liquide présente dans la neige”, Blanchard R., rapport de stage de Maîtrise de physique et applications, Faculté de Luminy/CEN (Juin 1997).

- « Calcul numérique de courbures tridimensionnelles : Application à la neige humide », Présentation de J.B. Brzoska à la réunion de la Société Hydotechnique de France, Grenoble 1998.

- Brzoska J.B., Coléou C., Lesaffre B. (1999) : “Computation of 3D curvatures on a wet snow sample”, European Journal of Applied Physics, 7, 45-57.

Pages Web
http://www.cnrm.meteo.fr/passion/neige2.htm

 

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