Une recherche à multiples facettes

​« La physique des avalanches reste une thématique-clé… Nous travaillons de l’échelle du grain de neige à celle du massif », explique Florence Naaïm, directrice de l’unité de recherche ETNA. En effet, lorsqu’on parle d’avalanches, « on ne peut pas comprendre le très grand sans connaître le tout petit ». Observation, expérimentation et modélisation constituent le triptyque des chercheurs permettant d’améliorer la connaissance pour mieux anticiper les phénomènes. 

Des observations grandeur nature pour alimenter les connaissances

Les chercheurs d’ETNA s’appuient sur plusieurs sites de terrain pour réaliser leurs observations. Pour comprendre la dynamique des avalanches, ils disposent depuis 1973 d’un lieu exceptionnel : le site expérimental du Lautaret, dans les Hautes-Alpes. Grâce à un exploseur au gaz, ils peuvent y déclencher des avalanches et les analyser sous toutes les coutures.

« On étudie leurs caractéristiques telles que la vitesse d’écoulement ou le volume de neige déplacé. Grâce à des systèmes d’imagerie, on peut filmer l’avalanche avec une caméra rapide ou en 3D, et mieux comprendre l’interaction entre l’avalanche et le terrain. Les capteurs posés sur un obstacle le long du parcours nous permettent de mesurer la pression qu’elle exerce », explique Emmanuel Thibert, chercheur à ETNA. « On a ainsi montré qu’une avalanche peut entraîner une grande quantité de neige allant jusqu’à 10 fois celle mobilisée dans la zone de départ, ou encore que le coefficient permettant de calculer la pression exercée sur un obstacle à partir de la vitesse de l’avalanche et de sa masse volumique était jusqu’alors très largement sous-estimé (d’un facteur 10) dans les zones de faible vitesse (zones d’arrêt) » détaille Florence Naaïm.

Au col du Lac-Blanc à 2 700 m, à proximité de la station de l’Alpe-d’Huez (Isère), les chercheurs étudient l’interaction entre la neige et le vent en collaboration avec leurs collègues du Centre d’étude de la neige du Centre national de recherches météorologiques (CNRM).

En effet, le vent est un élément central dans le déclenchement des avalanches. Celui-ci modifie les dépôts de neige et crée des corniches ou des accumulations qui, à tout moment, peuvent entraîner des avalanches. « Véritable soufflerie naturelle, instrumenté depuis 30 ans, notre site a permis d’éprouver de nouvelles techniques de mesure, et de créer une base de données climatologiques unique, attirant équipes scientifiques autrichiennes et japonaises. Ce sont, en effet, plusieurs centaines de tonnes de neige par mètre linéaire de crête que voient défiler nos capteurs chaque saison », précise Florence Naaïm.

Des expérimentations en laboratoire pour mieux comprendre

Mais étudier les avalanches « en vrai » ne suffit pas. Pour comprendre la façon dont chaque grain de neige roule sur les autres, accélère ou ralentit, d’autres méthodes sont nécessaires. C’est ainsi que les modèles réduits entrent en jeu. Ceux-ci permettent de réaliser des expériences sur la dynamique des écoulements neigeux. « Nous utilisons deux analogies », décrit Thierry Faug, chercheur et ingénieur de l’unité. « Pour les avalanches denses et sèches, on mime le comportement des grains de neige sèche, à savoir leur cohésion et leur frottement, en utilisant des billes de verre et de la poudre de PVC. Pour les avalanches en aérosol, nous faisons couler un fluide lourd, de l’eau salée par exemple, dans un fluide plus léger, de l’eau claire. Le fluide lourd permet d’imiter le mélange d’air et de particules de glace en suspension qui constitue ce type d’avalanches. »

Il faut cependant descendre à des échelles encore plus réduites pour connaître les lois qui régissent la déformation de la neige dans le manteau neigeux et son écoulement durant l’avalanche. « Les propriétés mécaniques de la neige dépendent de la microstructure du matériau », rappelle Guillaume Chambon, directeur de recherche adjoint de l’unité ETNA. Pour étudier cette microstructure, les chercheurs utilisent des tomographes à rayons X.

« Ces appareils nous permettent d’observer des détails de quelques micromètres. On peut ainsi étudier l’évolution de la neige en fonction de divers paramètres, comme la température ou la pression, et créer des modèles tridimensionnels pour explorer la réponse mécanique du matériau au moyen d’expériences numériques », ajoute le chercheur.

Des modèles numériques pour l’exploitation des données

Intégrer dans un même modèle des connaissances de l’échelle microscopique à celle d’un versant entier pour imaginer les avalanches du futur

Toutes ces observations et expériences ne pourraient cependant être exploitées, notamment pour la prévention, sans une autre méthode employée par l’unité : la modélisation numérique. Le but ? « Nous essayons d’intégrer dans un même modèle des connaissances qui vont de l’échelle microscopique à celle d’un versant entier », explique Guillaume Chambon. Ces modèles et simulations numériques permettent ensuite de déclencher des avalanches virtuelles en faisant varier les paramètres de départ. À partir de ces modèles croisés avec les scénarios climatiques du GIEC, il est alors possible d’imaginer à quoi ressembleront les avalanches du futur. La combinaison de ces méthodes a déjà porté ses fruits. Les modèles d’avalanches denses et en aérosol sont déjà très fiables, et permettent, par exemple, de faire des recommandations précises sur les structures paravalanches à mettre en place.

Le changement climatique invite cependant la recherche à poursuivre ses travaux pour mieux connaître les avalanches humides, dans lesquelles l’eau liquide et la glace se mêlent, et dont la dynamique n’est pas encore bien comprise. Pour cela, l’observation, l’expérimentation et la modélisation seront sans doute encore une fois la combinaison gagnante pour perfectionner la connaissance d’un phénomène complexe et optimiser les outils de prévention. 

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