Le monde de la science | Rétrospective ISSW2018 : Session Snow and Avalanche Dynamics

La première session de l'ISSW2018 est consacrée à la dynamique des avalanches, qui étudie le comportement des avalanches au sens large. La recherche actuelle suit plusieurs voies : certains scientifiques étudient les grandes avalanches de manière expérimentale, d'autres essaient de reproduire et de mesurer les effets en laboratoire, et d'autres encore développent et utilisent des modèles informatiques. Aujourd'hui, les modèles informatiques sont de plus en plus importants et il n'est donc pas surprenant de savoir qui a été le tout premier à parler lors de la conférence :

Quel est le lien entre la dynamique des avalanches et les studios d'animation de Disney ?

Depuis un certain temps, une situation gagnant-gagnant stimule les sciences de la neige. Lors d'un séjour à Los Angeles, le jeune professeur et snowboarder professionnel Johan Gaume a développé, en collaboration avec Disney, un modèle de neige qui n'est pas seulement beau mais qui fonctionne aussi exceptionnellement bien (O1.1). Ceux qui veulent savoir à quoi cela ressemble peuvent visiter le film actuel "La Reine des Glaces 2". Pour ceux qui veulent suivre la portée scientifique du modèle, nous recommandons le canal Twitter de Johan ou le site web du SLAB (snow and avalanche simulation laboratory) de l'EPFL à Lausanne.

Ce qui est fascinant dans le modèle, c'est qu'il simule les propriétés de la neige et que toutes les applications comme la mécanique de la rupture et la dynamique des fluides en découlent. D'un point de vue technique, le modèle est basé sur la "Material Points Method" (courte vidéo explicative). Au lieu de se baser sur une grille de calcul rigide, des "Material Points" (quasiment des grains de neige individuels ou des granules/boules de neige) sont définis, qui portent des propriétés telles que la masse, l'impulsion et la déformation. Cela permet la simulation sur plusieurs ordres de grandeur, c'est-à-dire de la couche fragile de l'ordre du centimètre à l'écoulement de l'avalanche à l'échelle de la centaine de mètres. En outre, cette méthode de simulation est précisément adaptée à la modélisation des transitions entre la mécanique des solides et la dynamique d'écoulement : Le manteau neigeux au repos se comporte comme un solide déformable, mais l'avalanche plutôt comme un liquide granulaire.

En plus de la statistique mentionnée par la validation du modèle à l'aide de nombreuses avalanches, la statistique probabiliste est une autre possibilité d'approcher l'incertitude des paramètres du modèle. D'une part, le "poor man's ensemble" peut être réalisé par l'application de différents modèles d'écoulement ; ou bien la sensibilité d'un paramètre du modèle au résultat est prise en compte comme incertitude dans les résultats eux-mêmes. En conséquence, la contribution O1.4, définit ce que l'on appelle le "Runout Gradient", c'est-à-dire la modification d'un paramètre qui augmente de 100m la longueur d'écoulement simulée. En gros, un doublement de l'épaisseur de la fissure ou une réduction du frottement de 5% entraîne un allongement de la longueur d'écoulement de 100m. Un tel concept probabiliste permet donc de comparer les différentes erreurs des paramètres d'entrée et de reporter l'incertitude des paramètres sur le résultat de la simulation.

Pour ceux qui souhaitent en savoir plus sur la modélisation des avalanches et le back calcul des départs d'avalanches individuelles, nous recommandons le Article O1.2 sur l'accident d'avalanche de Rigopiano (Italie centrale), qui a détruit un hôtel entier.

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15 kg d'explosifs, 100 000 m³ de neige et beaucoup de données

La dynamique expérimentale des avalanches est absolument géniale. C'est l'une des rares disciplines géophysiques expérimentales où cela fait encore vraiment du bruit - et lorsque les médias sont impliqués, il n'y a pas seulement des images spectaculaires, mais aussi parfois une voiture complète dans l'avalanche. Bien sûr, la voiture n'était pas seulement équipée de caméras, mais aussi de capteurs d'accélération et de rotation pour mesurer l'interaction avec l'avalanche.

En parlant de mesures concomitantes : Deux articles décrivent des balles imprimées en 3D qui sont équipées de capteurs de mouvement et de positionnement pour enregistrer les conditions dans l'avalanche. En principe, la recherche sur les avalanches se recoupe ici avec la recherche sur les chutes de pierres, où des capteurs similaires se trouvent dans les pierres. Il est assez facile de localiser des pierres individuelles colorées à l'aide d'images prises par des caméras, mais dans une avalanche, c'est plus difficile et il ne reste que les directions d'accélération pour calculer à rebours la position des balles (P1.2). Contribution P1.3 développe en réponse un système de positionnement basé sur le WLAN, qui sera peut-être complété dans un avenir proche par un suivi radar.

Les grands sites de test pour les avalanches, équipés de nombreux capteurs différents, peuvent se compter sur les doigts d'une main. L'article P1.8, qui fait état d'un nouveau terrain à Niseko, au Japon, est donc d'autant plus réjouissant. Il se trouve donc exactement dans la célèbre station de ski de poudreuse d'Hokkaido - mesurer et faire de la poudreuse en même temps est aussi un avantage absolu pour les chercheurs d'avalanches. Les pentes de test n'ont certes qu'un dénivelé d'environ 200 m, mais elles permettent d'étudier des avalanches qui seraient autrement cataloguées comme "petit toboggan à skis dynamiquement inintéressant". C'est bien sûr une bêtise, car ce sont justement ces avalanches qui se trouvent à la frontière entre avalanches coulantes et avalanches poudreuses. D'ailleurs, on ne sait pratiquement rien de cette transition.

Il y a bien sûr aussi des contributions du site de test d'avalanches le plus en vue, la "Vallée de la Sionne" en Valais. Les deux contributions portent sur des mesures de pression effectuées sur un pylône en acier de 20 m de haut, situé sur le sentier d'avalanche et directement contourné. L'article O1.5 traite de la pression et du moment de flexion dus à différents régimes d'écoulement sur le pylône en acier. Ainsi, les auteurs trouvent que les avalanches de poussière provoquent surtout des pressions dynamiques impulsives, de courte durée et très élevées, allant jusqu'à 1000kPa. En revanche, les avalanches lentes de neige mouillée provoquent des pressions continues d'environ 400kPa en raison de leur densité élevée. A titre de comparaison pour les zones de danger d'avalanche, la limite entre la zone rouge et la zone jaune est de 10kPa, et la limite avec les zones non zonées est de 1kPa. Plus concrètement, une colonne d'eau de 1 m de haut provoque une pression statique d'environ 10kPa.

Un autre article de laboratoire reprend de manière quasi scientifiquement correcte une expérience réalisée il y a 3 ans, au cours de laquelle de la neige à différentes températures a été pelletée dans un bétonnière afin d'observer la formation de boules de neige granuleuses. On a constaté qu'à des températures supérieures à -2°C, la neige se transforme assez rapidement en boules de la taille d'un poing^TM - un résultat trivial pour les élèves de l'école primaire bavaroise, mais complexe pour les universitaires. Cet article P1.16 utilise également un tambour rotatif de 2,5 m de diamètre. L'amélioration par rapport à la bétonnière est le contrôle de la vitesse de rotation et la mesure directe de la température, de la teneur en eau liquide et du profil d'écoulement. De même, la valeur limite de -2°C à -1°C, à laquelle la taille des grains change assez brusquement, a été constatée.

Neige mouillée vs neige chaude

Après les expériences de la bétonnière, la température de la neige a été prise en compte par différents dynamiciens d'avalanches. Contrairement à la teneur en eau liquide, la température est une grandeur classiquement mesurable, qui peut être assez facilement simulée à l'aide de modèles de manteau neigeux et également estimée grossièrement à partir de données historiques. L'article P1.14 fait état d'une possible paramétrisation de la température de la neige dans les modèles d'avalanche. De même, l'article mentionné plus haut sur l'accident de l'hôtel de Rigopiano conclut que la neige chaude dans la partie inférieure du parcours de l'avalanche a été déterminante pour la grande longueur de l'écoulement. Même s'il est possible que le terme d'avalanche de neige mouillée ne soit pas optimal, je trouve personnellement que le terme d'avalanche de neige chaude est également faible.

Conclusion

Il est toujours difficile de montrer l'état actuel de la recherche dans un domaine à partir des contributions d'une conférence. Il se passe certainement beaucoup de choses en ce moment dans le domaine de la dynamique des avalanches, et il est passionnant de suivre à quoi ressemblera la science des avalanches dans 10 ans. Les nouveautés les plus marquantes de l'ISSW 2018 étaient sans aucun doute le modèle Disney, les nœuds de capteurs qui s'écoulent avec les avalanches et le fait que plusieurs contributions parlent désormais de neige chaude plutôt que de neige mouillée.