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Itinéraire scientifique au coeur des cascades de glace

par KRINNER Gerhard - 10 septembre 2013 - ( maj : 10 septembre 2013 )

A l’approche de ces belles structures de glace que sont les cascades gelées, il est habituel de se poser quelques questions concernant leur stabilité, surtout si l’on envisage de les escalader, et voire leur histoire de formation, leur structure interne... pour les curieux.

C’est à partir de ces questions que deux chercheurs du laboratoire de Glaciologie et de Géophysique de l’Environnement de Grenoble, Maurine Montagnat et Jérôme Weiss, se sont engagés dans cet « itinéraire scientifique » original. Accompagnés de deux experts du milieu, François Damilano et Didier Lavigne, et du glaciologue Luc Moreau, ils ont scruté ces structures pour apporter une réponse scientifique, au plus près de la demande des pratiquants.

Aucune étude scientifique publiée n’existait au lancement de ce travail, c’est sans doute aussi ce qui a séduit l’initiateur et principal financeur de ce projet, la Fondation PETZL. Le champ était donc libre, et les scientifiques pouvaient imaginer leur travail en toute liberté !

Durant les quatre années de la première phase du projet (2006-2010), des cascades Alpines ont été équipées de capteurs de pression et de température, d’appareils photo automatiques, et des prélèvements d’échantillons ont été effectués tout au long des saisons d’hiver.

Devant la grande variété de structures de ces « cathédrales de glace », le champ d’investigation a du être restreint et l’intérêt s’est porté en premier lieu sur les structures verticales que sont les « free-standing » dont la caractéristique est d’être ancrée en haut et en bas de la colonne de glace, et d’être sans contact avec le rocher à la périphérie. Ces cascades sont généralement de haut niveau, et accessibles essentiellement aux glaciéristes chevronnés.

Pourquoi de telles structures ? Tout d’abord parce qu’elles sont le lieux d’accidents tout aussi meurtriers que spectaculaires, au court desquels la structure se rompt instantanément, parfois dans sa totalité, sous l’effet de la frappe des glaciéristes. Mais aussi, en corollaire, parce que ces structures étaient pressenties comme des zones d’accumulation de contraintes thermiques, à l’origine de ces effondrements brutaux.

Trois cascades « free-standing » ont donc été sélectionnées, en haute altitude pour s’assurer de leur formation tout au long de l’hiver. Il s’agit des cascades « Nuit Blanche » et « Shiva Lingam » dans le vallon du glacier d’Argentière, et la cascade de Rovenaud, dans le Valsavarenche en Italie. L’ensemble des mesures effectuées a permis de suivre la formation progressive de ces cascades, d’observer les caractéristiques de leur structure « interne » en regardant la microstructure des échantillons. [1]

Si la formation de ces cascades est progressive, leur destruction peut être brutale, en particulier pour les structures verticales que nous avons étudiées. Le suivi photographique a permis de visualiser l’apparition de fractures horizontales qui apparaissent au niveau de la zone d’ancrage supérieure entre le rocher et la glace. Ces fractures peuvent être directement associées à un effort mécanique de traction qui agit sur la structure, mais quelle en est la cause ? Le poids de la colonne de glace en elle-même va « tirer » sur la structure au niveau du point d’ancrage supérieur, mais la valeur de la contrainte produite est trop faible pour engendrer de telles fractures. Il en est de même, bien sûr, du poids d’un grimpeur accroché à la cascade. La cause principale de ces « efforts » qui agissent sur la cascade au point de la rompre brutalement, est à trouver dans les variations brutales de températures. En effet, comme la quasi totalité des solides, la glace se dilate quand on la réchauffe, et se contracte quand on la refroidit. Imaginez maintenant que cette colonne de glace, accrochée en haut et en bas au rocher, n’est pas libre de faire évoluer son volume avec les changements de température ! Il va en résulter des efforts de traction sur le point d’ancrage supérieur. Et, en raison des propriétés de la glace, ces efforts sont importants. Un calcul rapide montre qu’une chute de 2°C de la température de la glace peut suffire à atteindre la limite à rupture (une valeur bien connue pour la glace), et donc, théoriquement, engendrer l’effondrement de la cascade ! Cette estimation est à modérer par le fait que la température peut diminuer progressivement, mais aussi qu’une baisse de la température de l’air ne va pas affecter instantanément l’ensemble de la structure de glace, mais plutôt pénétrer « lentement ». Cependant, un refroidissement de l’air de 6 à 8°C par heure suffit à placer la cascade dans des conditions critiques qu’un coup de piolet va perturber fortement.

Ceci a été vérifié par nos observations. Le premier indice, et aussi le plus spectaculaire, est la disparition de la cascade entre deux photos automatiques ! Chaque saison, Shiva Lingam s’est en effet effondrée au cours d’une nuit pendant laquelle les températures ont chuté d’environ 15°C (de légèrement positif en journée, à proche de -10°C la nuit).

Figure : Evolution de la cascade Shiva Lingam, bassin du glacier d’Argentière, au cours de l’hiver 2008-2009. De gauche à droite : 24/11/2008, 10/01/2009, 9/03/2009.

En parallèle, grâce aux mesures en continu de nos capteurs de pression, nous avons pu relier les variations brutales de température à l’augmentation brutale de la tension dans la glace. Ces mesures ont aussi montré que des variations plus « lentes » de température n’engendraient pas de surtension dans la cascade ! [2]

Qu’est-il donc possible d’en conclure pour le glaciériste qui devra choisir la cascade sur laquelle s’exercer ? Tout d’abord, qu’il doit se méfier du comportement des structures verticales lorsque les conditions de température varient fortement, cependant... Il apparaît que les contraintes vont se relaxer plus rapidement dans une colonne de glace qui, bien que verticale, est fixée au rocher (le « cigare »). Que les structures dites « stalactites », qui ne reposent pas sur le sol, sont moins sensibles car elles sont libres de laisser varier leur volume avec les variations de température. Cette étude ne permet pas de dire si les variations brutales autour de 0°C sont plus critiques que celles survenant dans des conditions plus froides, mais il ne devrait pas y avoir, théoriquement de différences quant aux contraintes engendrées. Enfin, il ne faut pas perdre de vue qu’une glace « froide » est, de par sa nature, plus fragile qu’une glace « chaude » (c’est à dire proche de 0°C) car les fissures s’y propagent mieux... Ces quelques clés de lecture ne peuvent que compléter (ou confirmer) une expérience acquise au cours d’années de pratique. De plus, elles restent partielles et de nombreuses questions en découlent.

Une deuxième phase du projet s’est intéressée à l’élaboration d’un modèle thermodynamique susceptible de reproduire la croissance d’une cascade de glace tout au long d’une saison hivernale.

Cette phase a été menée principalement par Francis Gauthier, en thèse de doctorat à l’Université de Laval, Centre d’Etude Nordique, au Québec, en visite au LGGE pendant 7 mois. Forts d’un large panel de données issues de différentes cascades du nord de la Gaspésie, deux étapes principales de formation ont été identifiées au cours desquelles différents processus entrent en compétition. Lors de la première phase, la convection de l’air autour de l’eau qui s’écoule est dominante. La deuxième étape se produit lorsqu’une carapace de glace a recouvert le rocher et piège l’eau à l’interface glace – rocher. La chaleur de l’eau est alors évacuée par conduction, et la croissance de la cascade est principalement contrôlée par les pertes par conduction à travers l’épaisseur de glace, mais aussi par les radiations à grande longueur d’onde émises à la surface de la glace pendant la nuit. La validation du modèle s’est effectuée en comparaison de mesure Lidar du volume de la cascade « Voile de la Mariée » au cours de la saison 2010-2011. Ce modèle thermodynamique a pour objectif d’être intégré dans un modèle statistique permettant de prédire les volumes de glace en jeu, et la période probable de rupture des cascades qui se situent le long des routes bien fréquentées, qui bordent le St Laurent. [3]

Figure : Evolution du volume de glace mesurée sur la cascade Voile de la Mariée par méthode Lidar , et du volume simulée par les différentes phases du modèle thermodynamique.

[1] Montagnat M., Weiss J., Cinquin-Lapierre B., Labory P.A., Moreau L., Damilano F. and Lavigne D. Waterfall ice : formation, structure and evolution (2010). J. of Glaciology, 56 (156).

[2] Weiss J., Montagnat M., Cinquin-Lapierre B., Labory P.A., Moreau L., Damilano F. and Lavigne D. Waterfall ice : mechanical stability of vertical structures (2011). J. of Glaciology, 57 (203) 407-415.

[3] Gauthier, F. ; Montagnat, M. ; Weiss, J. ; Allard, M. & Hétu, B. Ice cascade growth and decay : a thermodynamic approach Journal of Glaciology, 2013, 59, 507-523

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