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Protocoles de nivologie

Aperçu

La couverture neigeuse joue un rôle important au sein des écosystèmes globaux parce qu'elle influence le climat, les processus hydrologiques et écologiques, ainsi que les activités humaines. La couverture neigeuse modifie le transfert d'énergie entre le sol et l'atmosphère. Elle emmagasine également l'eau gelée, ce qui a des conséquences sur l'humidité du sol, l'écoulement des eaux de surface et le ruissellement. En temps qu'isolant, la neige sert d'habitat à diverses formes de vie durant la saison froide. Les humains pellettent la neige, l'utilisent, la déplacent et jouent dedans.

Dans les climats nordiques, la neige commence généralement à tomber et à s'accumuler vers la fin de l'automne ou le début de l'hiver et à fondre vers la fin de l'hiver ou au début du printemps. L'importance des chutes de neige, l'accumulation neigeuse, la période d'accumulation et de fonte de la neige, l'équivalent en eau de la couverture neigeuse et la quantité de neige sublimée (qui passe directement de l'état de flocon à l'état gazeux) varient grandement. Les couches de neige qui s'accumulent se comportent de diverses manières et cela a des répercussions sur le climat. Le soleil est réfléchi par la neige davantage que par le sol et elle agit comme un isolant, empêchant ainsi le sol de se refroidir. La neige devient une source d'eau lorsqu'elle fond au printemps.

La nivologie permet de recueillir des informations concernant les propriétés isolantes de la couverture neigeuse, son équivalent en eau, les transformations subies au fil du temps, les diverses plantes et animaux dont elle constitue l'habitat, et sa stabilité (risque d'avalanche).

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Chercheuse scientifique affiliée à GLOBE Canada

Tracy Hillis

Tracy HillisTracy Hillis, titulaire d'un doctorat, est biologiste de la faune pour le gouvernement des Territoires du Nord-Ouest. C'était pendant ses études en zoologie de l'Arctique, alors qu'elle menait sa recherche en vue d'obtenir sa maîtrise, que son amour pour la recherche sur la neige est né. Du point de vue d'une biologiste, essayer d'interpréter comment l'environnement touche l'animal est important dans la compréhension globale de l'animal. Madame Hillis aime travailler en hiver parce que c'est la saison idéale pour tester la faune - c'est la saison la plus difficile de l'année et malgré cela, les animaux survivent et se développent bien.

Madame Hillis attribue le développement de son intérêt pour la neige et sa passion pour les études sur l'hiver à son mentor, Gérald Courtin, titulaire d'un doctorat. Pendant treize ans, Tracy a étudié les effets de la neige sur les petits mammifères, campagnols et souris, sur le renard, l'ours, le loup, l'orignal et le caribou. Après avoir terminé son mémoire de doctorat sur le caribou des bois et les perturbations, elle a été la première biologiste embauchée pour travailler sur les changements climatiques aux Territoires du Nord-Ouest. L'étude de la neige révèle des indicateurs utiles des changements climatiques.

Madame Hillis a élaboré et mis en œuvre la première recherche sur la neige de la forêt boréale des Territoires du Nord-Ouest. Madame Hillis s'enthousiasme à l'idée que des élèves participent à des études sur la neige et recueillent des données sur différentes régions.

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Objectif

Les observations faites sur le terrain visent à recueillir des informations relatives à la climatologie, à l'hydrologie et à l'utilisation de la neige. Ces observations portent, entre autres, sur la date de la chute de neige, l'épaisseur de la neige accumulée, les diverses couches de neige, les variations de température dans le profil neigeux, la forme et la taille des cristaux qui forment les différentes couches, la densité et l'équivalent en eau de la couverture neigeuse et la dureté des couches.

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Méthodes

Épaisseur de la neige accumulée et de la neige fraîche

Neige accumulée :

Exemple d'échelle à neigeLa prise d'une seule mesure de la couche de neige peut ne pas être exacte puisque la neige se déplace en tombant. Le vent peut souffler la neige d'un endroit à l'autre de sorte qu'il n'y en ait presque plus à cet endroit et beaucoup ailleurs. Afin de tenir compte de ces variations, il est nécessaire de faire une moyenne entre plusieurs mesures. L'échelle à neige consiste en un poteau ou un tuyau en PVC d'au moins 2 cm X 2 cm X 1 m sur lequel est fixé un ruban métrique servant à mesurer l'épaisseur de la neige en centimètres. La longueur de l'échelle utilisée peut varier en fonction des accumulations maximales dans votre région. Il faut placer cinq échelles à neige à cinq mètres d'intervalle le long d'un transect (ligne), dans un espace découvert et plat qui sera laissé intact durant tout l'hiver. Les échelles à neige doivent être plantées dans le sol dans une zone plate et libre de tout obstacle avant la première neige. Les mesures nivométriques doivent être prises régulièrement (ex. une fois par semaine) ainsi qu'après chaque chute de neige et doivent être arrondies au cm près. Elles doivent être prises de manière ne pas perturber la neige autour de l'échelle à neige. Effectuez le relevé en vous tenant à une distance d'au moins trois mètres des échelles.

Site d'étude

Neige fraîche :

Une échelle à neige supplémentaire devrait être installée à l'abri de la poudrerie. Cette échelle servira à mesurer l'épaisseur de la couche de neige fraîche. Après chaque chute de neige, une feuille de papier blanc épais munie d'un trou au milieu doit être glissée le long de l'échelle jusqu'à ce qu'elle s'appuie sur la neige. Lorsque viendra la prochaine chute de neige, l'épaisseur de la neige fraîche correspondra à l'épaisseur de neige qui se trouve au-dessus de la feuille de papier. Après chaque chute de neige, il faut ajouter une nouvelle feuille de papier. Arrondissez la mesure au cm près. Ayez soin de laisser la neige qui se trouve autour de l'échelle intacte.

Nivologie avancée

Les protocoles suivants permettent d'étudier la neige de manière plus approfondie, entre autres par la mesure de l'accumulation totale de neige et des variations de température, l'identification et la mesure des couches de neige accumulée, le calcul de l'équivalent en eau, l'identification du type et de la taille des cristaux de neige qui composent chacune des couches d'accumulation neigeuse et la mesure de la dureté des couches.

Étude de la couverture neigeuse

Un site d'étude nivologique -- le puits d'échantillonnage

Pour mener ces études, on creuse un trou profond dans la neige (puits d'échantillonnage). Le trou devrait avoir une paroi lisse du côté opposé à la lumière du soleil. Le trou devrait être assez grand pour que deux ou trois personnes puissent y travailler. Il faut creuser ce type de trou à un endroit resté intact depuis la première chute de neige et où on ne risque pas de perturber d'autres sites d'étude. Il faut faire toutes les observations et prendre toutes les mesures du côté lisse de la paroi.

Couches de neige :

Des couches de divers types et de diverses textures de neige se forment et se transforment à l'intérieur de la couverture neigeuse. Commencez par glisser une carte de plastique (carte à neige) verticalement le long de la paroi neigeuse. Il se pourrait que les couches de neige soient plus faciles à distinguer au toucher qu'à la vue. Déterminez les limites de chaque couche. Faites une entaille dans chaque couche de manière à former une sorte d'escalier, du côté lisse de la paroi. Mesurez et notez l'épaisseur de chaque couche à partir du niveau du sol. Sur la feuille de données, tracez une ligne correspondant aux limites de chaque couche. Comptez et notez le nombre de couches.

Couches de neige
Variation de la température de la neige :

La neige isole le sol et réduit les écarts de température entre l'air et le sol. La mesure de la température doit être prise alors que le trou vient tout juste d'être creusé. Le thermomètre doit être inséré délicatement et entièrement dans la neige. Faites attention, les thermomètres se brisent facilement! Il faut donner au thermomètre suffisamment de temps pour se stabiliser (environ 3 minutes). Prenez cinq mesures de température à intervalle régulier entre le sol et la surface neigeuse. Notez également la température ambiante à l'ombre. Notez et reportez ces températures sur la grille de données.

Équivalent en eau de la couverture neigeuse :

Méthode par mesure des couches : De l'eau est emmagasinée sous forme de neige. La quantité d'H2O qui se trouve dans la couverture neigeuse peut varier en fonction du temps. Il se peut que de la neige retourne dans l'atmosphère par le phénomène de sublimation. La neige peut également fondre et s'écouler sous forme d'eau ou être absorbée dans le sol. La quantité d'eau contenue dans la neige constitue une donnée importante. La mesure de la densité de la couverture neigeuse, que ce soit couche par couche ou dans son ensemble, permet de connaître l'équivalent en eau de la couverture neigeuse entière. Par exemple : on compare le poids de 100 mL de neige à celui de 100 mL d'eau, c'est-à-dire 100 g. Cela permet de trouver l'équivalent en eau. Ces mesures sont prises à l'aide d'un contenant de plastique de 100 mL enfoncé dans la couche de neige. Une fois que le contenant a été enfoncé dans la couche neigeuse, servez-vous d'un objet plat pour en couvrir l'ouverture tandis qu'il est encore dans la neige. Retirez le contenant de la neige et enlevez l'excédent. Pesez l'échantillon de neige dans son contenant à l'aide d'une balance à ressort. Soustrayez le poids du contenant pour trouver le poids de l'échantillon. Calculez la densité de la neige en divisant le poids de l'échantillon (g) par 100 mL (volume de l'échantillon).

Fabrication d'un contenant de plastique de 100 mL pour la prise d'échantillons de couches de neige
Fabriquez un contenant de plastique de 100 mL en coupant la partie supérieure d'un contenant, par exemple une bouteille de pilules recyclée. Nettoyez le contenant, versez-y 100 mL d'eau et indiquez le niveau de l'eau en traçant une ligne. Coupez ensuite le contenant à la hauteur de la ligne. Percez un trou d'un diamètre de 5 mm au fond du contenant pour permettre à l'air de s'échapper lorsque vous prendrez l'échantillon. Un autre trou, sur le côté, près de l'ouverture du contenant vous permettra de peser le contenant sur la balance à ressort.

Rappelez-vous : 1 cc H2O = 1 mL de H2O = 1 gramme de H2O

Exemple : 100 mL de H2O pèse 100 g

Calcul de la densité et de l'équivalent en eau pour chaque couche de neige :

Poids du contenant (A) : _________ g

Poids de l'échantillon avec le contenant (B) : _________ g

Poids de l'échantillon (P) = B - A : _________ g

Volume de neige (V) = volume du contenant : 100 mL

Densité de la neige = poids ÷ volume ou P/V : _________ g/mL

Exprimé en décimale, ceci représente l'équivalent en eau _________
 

Méthode par mesure unique : une autre méthode consiste à utiliser une section de tuyau de poêle afin de prélever un échantillon transversal de la couverture neigeuse. Enfoncez le tuyau de poêle dans la neige. Insérez une planchette sous le tuyau tandis qu'il est encore dans la neige. En ayant soin de ne pas laisser échapper la neige, videz le contenu du tuyau dans un sac de plastique (ex. sac à déchets). Notez la profondeur de la couverture neigeuse à l'endroit du prélèvement de l'échantillon. Calculez le volume de neige dans le tuyau. Pesez le sac de plastique contenant la neige, puis soustrayez le poids du sac pour obtenir le poids de la colonne de neige. Calculez la densité de la neige en divisant le poids de la neige par le volume du tuyau (aire de la surface X hauteur). Vous connaîtrez ensuite l'équivalent en eau de la couche de neige puisque la densité de l'eau est de 1 g par mL.

Méthode par mesure unique
 

Calcul de la densité de la couverture neigeuse à l'aide d'un seul échantillon transversal

  1. Calculez d'abord le volume de l'échantillon.
     
    Mesurez le diamètre du tuyau (D) : _________ cm
     
    Calculez le rayon du tuyau (r) : _________ cm
     
    Aire du tuyau (A) = πr² = 3.14 × (rayon du tuyau)² = _________ cm²
     
    Volume de l'échantillon (V) = aire (A) × épaisseur de la couverture neigeuse : _________ cm³
     
  2. Déterminez ensuite le poids et la densité de la neige de la manière décrite dans l'encadré précédent à l'aide de l'échantillonnage des couches de neige et continuez les calculs pour trouver l'équivalant d'eau.
Taille moyenne des cristaux de neige :

La taille et le type des cristaux de neige ont un effet sur la quantité d'eau contenue dans la couverture neigeuse et sur sa stabilité. Il faut observer la grosseur et la forme des cristaux pour chaque couche de neige. On peut déterminer la taille des cristaux de neige en les plaçant sur la grille de 1 mm ou de 2 mm sur la carte à neige. Ces grilles servent de référence pour déterminer la taille des cristaux moyens. On doit examiner au moins 20 cristaux afin d'estimer leur taille moyenne. Utilisez la loupe pour examiner les cristaux sur la grille. Vous devriez pouvoir estimer la taille du cristal au demi-millimètre le plus près. Lorsque plusieurs cristaux sont collés ensemble, il faut les séparer pour pouvoir les mesurer. Lorsque les cristaux sont très soudés les uns aux autres, (ex. couche de glace) ou lorsque la neige est très humide, la taille et la forme des cristaux ne sont plus significatives et il n'est pas nécessaire de les noter. Notez la taille des cristaux pour chacune des couches de neige.

Types de cristaux de neige :

Les cristaux de neige se forment dans l'atmosphère. Une fois qu'ils sont tombés, les cristaux se transforment sous l'effet de la sublimation, du dégel et du regel. Le type de cristaux qui composent la couverture neigeuse détermine la stabilité de la neige, son équivalent en eau, sa profondeur et la densité des couches de neige. Lorsqu'on identifie le type de cristaux qui composent chaque couche, on peut mieux comprendre les caractéristiques des diverses couches de neige et de la couverture neigeuse. Vous trouverez ci-dessous certains des cristaux qu'il est possible d'identifier.

Cristaux de type A : Ce sont les cristaux généralement entiers ou les morceaux de cristaux qui composent la nouvelle neige. Le grésil et la grêle n'appartiennent pas à cette classe. La neige de type A est généralement très douce. Ces cristaux sont classés sur les feuilles de données de la manière suivante :

Cristaux de type B : Les cristaux de type B composent la neige aux premiers stades du processus de tassement. Ils sont principalement composés de fragments de cristaux, mais ils n'en sont pas tout à fait au stade de fragments très fins qui marque la fin du processus de tassement. Bien qu'ils aient perdu plusieurs de leurs caractéristiques cristallines, on peut encore en observer quelques-unes; la neige brille encore. La neige de type B est habituellement assez douce. Ces cristaux sont identifiés sur les feuilles de données de la manière suivante :

Cristaux de type C : Lorsque la neige se transforme sous l'effet du dégel ou sous l'effet du dégel-regel, elle perd complètement ses caractéristiques cristallines et ses grains deviennent irréguliers et plus ou moins arrondis. Il s'agit de neige de type C. Elle ne brille pas, même en plein soleil, et peut être facilement reconnue à son apparence mate. Elle est habituellement assez molle lorsqu'humide, mais peut être très dure si elle est gelée. Les grains de neige de type C peuvent être de taille variée, de très fins à très gros. Ces cristaux sont identifiés sur les feuilles de données de la manière suivante :

Cristaux de type D : Lorsque les températures sont bien en dessous du point de congélation, sans aucun dégel apparent, la neige se transforme en cristaux de type D en raison du dépôt de vapeur d'eau provenant des cristaux situés plus bas dans le profil par le processus de sublimation. Le dépôt de vapeur plus haut dans le profil produit des grains aux contours irréguliers et dont certaines faces sont planes. Ces faces étagées sont visibles à l'aide d'une lentille et donnent à la neige un effet brillant distinct à la lumière du soleil. La neige de type D est généralement assez dure. Ces cristaux sont identifiés sur les feuilles de données de la manière suivante :

Givre : Le givre est reconnaissable à ses cristaux en forme de gobelets. Ces cristaux sont le résultat du dépôt d'une faible couche de vapeur sublimée durant une longue période de froid ininterrompue. Le givre de profondeur se retrouve le plus souvent directement sous une croûte plus ou moins imperméable dans la partie plus profonde de la couverture neigeuse. La couche de givre de profondeur est très friable et s'effondre dès qu'on y touche. Ces cristaux sont identifiés sur les feuilles de données comme étant :

Dureté de la neige :

La stabilité de la couverture neigeuse peut être influencée par la dureté de l'une de ses couches. Une couche fragile située sous plusieurs couches plus dures peut rendre toutes ces couches instables. Il faut prendre la mesure de la dureté de la neige au centre de chaque couche de neige, incluant les couches glacées. Cette mesure est estimée grâce à la technique de test à la main. La méthode consiste à exercer une pression horizontale d'environ 100 g (légère pression) contre la couche. Si le poing, quatre doigts, etc. pénètrent la couche sans difficulté, alors on lui attribue l'indice de dureté correspondant. Si la couche est très fragile, alors elle est plutôt instable. Référez-vous à l'échelle suivante pour déterminer la dureté de la neige en g/cm2. Les tests de dureté ne permettent pas de lui attribuer une valeur en chiffres, mais ils indiquent certaines faiblesses de la couverture neigeuse. Notez le type de dureté sur le tableau de données.

Classe Pression Symbole
Poing 10 g/cm² P
Quatre doigts 25 g/cm² 4D
Un doigt 100 g/cm² 1D
Crayon 500 g/cm² C
Pointe effilée 1000 g/cm² K

Activités supplémentaires relatives à la nivologie

Photographier les cristaux de neige :

Pour faire de bonnes photos, il faut d'abord de bons sujets, et tous les cristaux ne font pas nécessairement de bons sujets de photo. La première étape consiste à utiliser une petite loupe pour examiner les cristaux à l'occasion de la prochaine chute de neige pour voir s'il y a quoi que ce soit qui mérite d'être photographié. Toutes les chutes de neige ne produisent pas nécessairement des cristaux intéressants. Vous allez devoir transformer votre appareil photo de manière à pouvoir faire de la macrophotographie. La photographie de cristaux va un peu au-delà de ce qu'on considère habituellement comme de la macrophotographie, mais d'un autre côté, ce n'est pas aussi exigeant (ou coûteux) que la photomicroscopie. Prenez une lentille de 10x ou 12x et fixez-la à un adaptateur destiné à être vissé sur le devant de votre appareil. Cela est également possible avec les appareils numériques dont la mise au point du foyer se fait manuellement. Il faut choisir les cristaux avec beaucoup de soin. Une des techniques requérant peu de manipulation consiste à recueillir les cristaux qui tombent sur une assiette en verre froide et à les photographier sur place, mais ce n'est pas toujours pratique. Habituellement, le photographe désire choisir les plus beaux spécimens et les transporter jusqu'au site de photographie. Les outils requis pour ce type de manipulation incluent de petits bâtons, des plumes, etc., et bien sûr, une main sûre. La sublimation a tôt fait d'arrondir les facettes du cristal. Même si cela produit un effet agréable devant la lentille, il est habituellement souhaitable de minimiser le plus possible ces effets en photographiant les cristaux au fur et à mesure qu'ils sont choisis. Il faut prendre les photographies de cristaux de neige très rapidement. Parmi les autres techniques possibles, on retrouve celle qui consiste à recueillir les cristaux de neige dans un bécher d'hexane froid peu profond, ce qui élimine le problème de la sublimation.

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Matériel et ressources

Matériel et ressources pour l'étude pour mesurer l'épaisseur de la couverture neigeuse

Échelles à neige :

Matériel et ressources pour l'étude du profil de la neige

Matériel nécessaire pour le puits d'échantilonnage :

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Feuille de renseignements (à remplir sur le terrain)

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Formulaires de données

Un truc pratique pour apporter les feuilles de données sur le terrain consiste à couper un bout de « magic carpet » de la taille de la feuille. Le plastique offre un support solide pour écrire les diverses observations, il résiste à l'eau et son format est pratique. La feuille peut être fixée au support de plastique à l'aide d'une reliure Cerlox ou d'une grosse pince collée sur le plastique.

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Liens

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