Conductivité thermique de la neige
L’étude scientifique de la neige et du manteau neigeux peut constituer un élément crucial dans la compréhension des grands événements climatiques. En couvrant chaque année plus de 46 millions de km2, la neige joue un rôle important dans l’équilibre du climat mondial à travers divers facteurs. Le manteau neigeux constitue une barrière majeure contre le rayonnement solaire entrant. En effet, il reflète entre 80 et 90% des rayons et joue un rôle dans le maintien du bilan énergétique des planètes. De nombreux lacs et rivières sont alimentés par la fonte des neiges chaque printemps. En hiver, la neige agit comme isolant entre le sol, les plantes, les micro-organismes qui y vivent et les températures glaciales de l’hiver.
L’étude de la conductivité thermique de la neige permet de comprendre les échanges thermiques à travers la neige ainsi que les gradients de température existant entre l’air et le sol. La conductivité thermique de la neige est souvent difficile à déterminer car elle est extrêmement variable et peut changer rapidement. La densité, la teneur en eau, la structure cristalline et le contact de proche en proche affectent la conductivité thermique d’un échantillon de neige. Les mesures sont souvent difficiles à reproduire sur le même échantillon. En effet, la mesure elle-même peut modifier la structure et la densité, ce qui influe sur la conductivité thermique. Les sondes sont les équipements les plus utilisés pour les essais de conductivité thermique sur la neige. Cette application présente la capacité du TEMPOS, conductivimètre portable de METER, à mesurer la conductivité thermique de la neige.
Le TEMPOS est un instrument de mesure portatif. Il peut être utilisé en laboratoire sur des échantillons prélevés sur le terrain, ou directement in situ, sur le terrain. 
Conductivimètre portable TEMPOS
Le TEMPOS réalise des mesures de conductivité thermique et de résistance thermique sur les sols, les solides, les poudres et les liquides visqueux sur une gamme de 0,02 à 5 W/m.K. Les mesures sont effectuées conformément aux normes ASTM D5334 et IEEE 442 avec une reproductibilité et une précision inférieures à 10%. Cet équipement très pratique peut aussi bien être transporté sur le terrain qu’utilisé en laboratoire. Le système fonctionne à des températures allant de -50°C à 150°C et utilise une sonde à la fois comme capteur et comme source de chaleur pour les mesures.
Réalisation des essais de conductivité thermique de la neige
Le TEMPOS a été utilisé pour mesurer la conductivité thermique de la neige à l’état naturel puis compactée.
Tous les essais ont été effectués in situ, à une température extérieure de -4°C. Pour mesurer la neige à l’état naturel, la sonde du TEMPOS a été insérée dans le manteau neigeux à trois endroits différents sur de la neige fraîche. Un essai a été réalisé en chaque point. L’opérateur a déplacé la sonde entre chaque mesure afin d’éviter que la fonte de la neige – provoquée par le chauffage de la sonde pendant l’essai – n’impacte la mesure suivante. Les trois points de mesure étaient espacés de 15 cm les uns des autres. L’opérateur a attendu 10 minutes entre chaque mesure.
De la neige a ensuite été prélevée et tassée dans un porte-échantillon cylindrique de façon à obtenir un échantillon de neige uniformément compacté. La sonde du TEMPOS a été insérée dans l’échantillon et les mesures ont été réalisées à deux endroits différents, en suivant le même protocole que celui utilisé pour les échantillons de neige à l’état naturel.
Résultats des mesures de conductivité thermique de la neige
Les résultats obtenus avec le TEMPOS pour les échantillons de neige à l’état naturel et de neige compactée sont présentés dans le tableau 1 ci-dessous. La conductivité thermique de la neige compactée, 0,432 W/m.K, est beaucoup plus élevée que celle ma neige à l’état naturel, 0.045W/m.K. Ces résultats illustrent la grande influence de la densité sur la conductivité thermique de l’échantillon. Comme avec d’autres matériaux, plus il y a d’air dans l’échantillon, plus la conductivité thermique est faible. Lorsque la neige est compactée et qu’il y a donc moins d’air dans l’échantillon, la conductivité thermique augmente. Cela montre à quelle vitesse la conductivité thermique de la neige peut être radicalement modifiée. L’augmentation de la densité peut être due au vent, à la sédimentation et au compactage. Les activités humaines, comme la motoneige, les dameuses et le ski, entraînent de grandes zones de compactage pendant les mois d’hiver. La variation de conductivité thermique qui en résulte modifie également la quantité de chaleur transférée entre l’atmosphère et le sol sous la couche de neige.
| Échantillon | Température (°C) | Conductivité thermique (W/m.K) | Écart-type (W/m.K) |
|---|---|---|---|
| Neige à l’état naturel | 0.199 | 3.098 | 0.322 |
| Neige compactée | 0.201 | 3.076 | 0.325 |
Tableau 1. Conductivité thermique des sols secs et humides. Les valeurs moyennes affichées sont calculées sur la base des 3 essais pour chaque sol.
Conclusion
Les résultats présentés dans le tableau 1 concordent bien avec les publications sur la conductivité thermique de la neige. Le TEMPOS a mesurée une conductivité thermique moyenne de 0,045 W/m.K pour la neige à l’état naturel. Les scientifiques J.W. Pomeroy et E. Brun (2001) établissent également que la conductivité thermique de la neige à l’état naturel est de 0,045 W/m.K. De leur côté, J. Côté, M. Rahimi et J.-M. Konrad annoncent des conductivités thermiques pour la neige compactée variant de 0,12 W/m.K et 0,54 W/m.K pour les porosités de 0,4 à 0,68 à -12°C. La valeur obtenue avec le TEMPOS (0,432 W/m.K) se situe bien dans cette plage. Ce travail sur le terrain est un excellent exemple de la polyvalence du TEMPOS. C’est un outil puissant qui peut être utilisé en toutes saisons ; sur des projets de recherche sur le sol, la roche et la neige. La précision et la fiabilité des mesures n’ont pas été compromises par le format mobile/portable du TEMPOS, faisant de cet appareil un choix efficace, économique et pratique pour les mesures de conductivité thermique effectuées en dehors du laboratoire.
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