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Titre
du projet |
Observation
tridimensionnelle de la structure de la neige humide |
| Type
d'aléa |
Glace,
neige et avalanches |
| 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
|
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 |
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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 |
|
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 |
|
