PowderPeople | Jürg Trachsel, nivologue du SLF

Un système de fronts pousse de l'air humide du nord-ouest vers les Alpes. Les molécules d'eau qui ont nagé à un moment donné dans l'Atlantique sont brassées, ainsi que les poussières fines, le pollen et d'autres petites particules qui sont transportées vers le haut par le vent et les turbulences.

L'air qui s'écoule se heurte à la bordure des Alpes et doit s'échapper vers le haut, ce qui le refroidit. L'humidité relative de l'air augmente alors jusqu'au point de saturation. Des molécules d'eau isolées commencent à geler sur les particules de poussière présentes et forment peu à peu un grand nuage gris de barrage nordique déclenchant PowderAlerte.

Les particules de glace ne sont pas disposées au hasard, mais forment une grille régulière. À pression normale, ce réseau a une structure hexagonale. En association, les atomes d'une molécule d'eau réagissent à la charge des atomes des molécules voisines et s'arrangent de la manière la plus favorable possible d'un point de vue énergétique. Six molécules d'eau forment ainsi un minuscule prisme hexagonal - l'élément de base de tout flocon de neige.

En raison des conditions dans le nuage (sursaturation), les molécules qui volent encore librement ont tendance à se joindre aux mini-cristaux hexagonaux. En d'autres termes, le prisme hexagonal de base voit peu à peu pousser des bras à partir des coins (croissance dendritique), qui peuvent à leur tour développer des ramifications. En fonction de la température et de l'humidité, il se forme les étoiles classiques des flocons de neige comme dans les livres d'images, ou d'autres structures hexagonales, comme des petites plaques ou des aiguilles.

L'unicité proverbiale et réelle des flocons de neige résulte de différences minimes dans les conditions ambiantes dans le nuage et de variations plus importantes de la température, de la pression et de l'humidité qu'un cristal subit en traversant le nuage. Même les plus petits changements donnent naissance à des cristaux de forme différente et chaque flocon parcourt un chemin différent à travers le nuage - les turbulences font remonter certains flocons et les conduisent à travers différentes couches d'air.

La neige, objet de recherche

Au cours des dernières décennies, de nombreuses questions sur la formation des flocons de neige et la physique de la neige ont déjà trouvé une réponse. Pourtant, tout n'a pas été élucidé, loin de là. L'attention se porte aujourd'hui par exemple sur les propriétés spécifiques du matériau, comme la mécanique de la rupture et de l'écoulement, qui jouent notamment un rôle important dans la prévision des avalanches, ou sur les processus d'échange entre le manteau neigeux et l'atmosphère, qui sont pertinents dans la recherche climatique.

Le scellement de l'échantillon de neige avec le produit chimique diéthylphtalate dès le terrain est une possibilité de protéger de telles structures pendant le transport. Cela permet de remplir les espaces vides entre les cristaux de neige et de les soutenir. Le produit chimique se solidifie et lorsque la glace s'évapore en laboratoire, il reste une image négative de la structure qui peut être étudiée plus en détail. Cette méthode ne convient toutefois que pour étudier ensuite la structure physique de la neige. Dès que des composants chimiques doivent être analysés, toute contamination extérieure doit être évitée.

Le transport de ses échantillons représente également un défi pour Jürg Trachsel. Il effectue une partie de ses mesures et de ses expériences sur le champ de mesure du SLF au Weissfluhjoch (2550 m d'altitude). Le grand avantage est que celui-ci est équipé d'une multitude de capteurs. Des données sur la météo, le bilan radiatif, les températures de surface et du sol sont ainsi disponibles pour lui et d'autres chercheurs, sans qu'il soit nécessaire de les collecter individuellement.

Jürg relève chaque mois sur le champ de mesure l'ensemble du profil de neige, ce qui, dans son cas, est un peu plus compliqué qu'un "profil de skieur". Vêtu d'une combinaison de protection blanche, il remplit chaque couche de neige individuellement dans un petit tube en plastique. Les tubes sont fermés hermétiquement et doivent être acheminés rapidement et sans fondre vers le lointain Villigen AG, au PSI. Pour cela, ils sont soigneusement emballés avec des éléments réfrigérants et plusieurs couches d'isolation. La caisse est ensuite transportée à ski dans la vallée. Et grâce aux transports publics qui fonctionnent (généralement) à merveille, elle continue en train jusqu'au PSI.

La poudreuse de laboratoire

Mais la neige naturelle ne convient pas à toutes les expériences ! Dans la recherche fondamentale notamment, il peut être avantageux d'avoir comme matériau de base une neige aussi bien définie et régulière que possible. Ainsi, toute la neige utilisée par Jürg dans ses expériences en laboratoire ne provient pas de nuages sauvages de barrage du nord. Certains échantillons proviennent d'un "nuage" artificiel réglable avec précision, qui vit en permanence dans l'un des laboratoires frigorifiques du SLF - le SnowMaker. Dans la chambre climatique à température régulée qui abrite le SnowMaker, il fait -24°C été comme hiver. Au lieu d'une blouse de laboratoire, Jürg porte une épaisse combinaison d'expédition en duvet.

Derrière la lourde porte d'isolation, les premières choses qui sautent aux yeux sont les boîtes blanches en polystyrène contenant des échantillons de neige du monde entier. Le reste de la pièce est occupé par le SnowMaker. Le nuage artificiel bourdonne dans le froid et ressemble plus à une armoire informe qu'à un nuage. Le concept a été imaginé à l'origine par un nivologue japonais dans les années 1970. Le nivologue du SLF Martin Schneebeli a ensuite optimisé le nuage artificiel au fil des années. Le principe de base est toujours le même - de l'air froid s'écoule sur de l'eau chaude et est ainsi sursaturé.

À l'instar de l'air polaire qui s'enrichit en humidité en traversant l'Atlantique Nord, comparativement plus chaud, l'air du ventilateur SnowMaker absorbe de l'humidité en passant au-dessus d'un bassin d'eau chaude : l'eau est chauffée à des températures avoisinant les 30°C et l'air aspiré par le ventilateur est à la même température que l'air ambiant du laboratoire frigorifique, soit -24°C. La forte différence de température favorise le processus d'évaporation.

La neige de laboratoire aide à comprendre la nature

L'échantillon qui vient d'être produit est placé dans une chambre climatique plus petite. Il y est soumis à un gradient de température avec des échantillons provenant du champ de mesure. Cela signifie que la température en dessous de l'échantillon est supérieure de quelques degrés à celle de la surface. On retrouve exactement les mêmes conditions dans la nature : alors que le sol sous la couche de neige affiche constamment zéro degré pendant l'hiver, la surface est plus froide en raison des conditions météorologiques. Cette différence de température a pour conséquence que les cristaux de neige se transforment et changent complètement de forme sans fondre. Cette recristallisation peut non seulement conduire à des couches fragiles éventuellement problématiques pour le skieur, mais elle influence également la répartition des impuretés contenues dans la neige - le domaine de recherche de Jürg. Certaines substances sont transportées à la surface, d'autres sont fermement enfermées dans les cristaux de neige. Les expériences en laboratoire permettent de vérifier les observations faites dans la nature et d'étudier les différents processus de manière très détaillée.

La poudreuse artificielle aussi pour le ski?

L'enthousiasme de Jürg pour la matière neige se manifeste également en dehors de son travail : pendant son temps libre, on le rencontre tout aussi souvent dans la neige, que ce soit en privé lors de randonnées à ski, en tant que moniteur avec l'OJ Brugg ou tout simplement sur les pistes. Bien sûr, l'affinité pour "l'or blanc" joue un rôle dans le choix du poste, et le travail au SLF, où presque tout tourne autour de la neige, est deux fois plus passionnant si l'on aime soi-même la neige.

Quand on lui demande s'il sera un jour possible de produire de la neige poudreuse également pour les pistes, Jürg fait signe que non. La capacité est trop faible et la consommation d'énergie du nuage artificiel trop importante. Mais en fait, il en est plutôt content : La nature ne se laisse pas si facilement berner ! Il tient donc d'autant plus à ce que nous nous engagions tous à continuer de protéger notre environnement. Car ce n'est que s'il fait encore suffisamment froid dans les décennies à venir que le nuage de barrage du Nord pourra nous apporter non seulement de la pluie, mais aussi de la vraie poudreuse.