Neige

Formation de la neige

La neige se forme lorsque la vapeur d’eau ou des gouttelettes d’eau surfondues et présentes dans un nuage gèlent sur de minuscules particules dans l’atmosphère (appelées noyaux de condensation), ce qui crée des cristaux de glace. Lorsque ces cristaux de glace sont emportés par le nuage, la vapeur d’eau gèle sur eux (sublimation), créant ainsi des cristaux de neige. Selon les conditions de température et d’humidité, les cristaux de neige continuent de grossir selon un ou plusieurs des trois mécanismes suivants : la sublimation pour former de plus gros cristaux de neige; le givrage (congélation de l’eau surfondue), qui forme des cristaux de neige givrée; ou la collision avec d’autres cristaux de neige, qui forme des flocons de neige. En raison de ces trois mécanismes de croissance différents, la neige peut en fait être constituée de trois éléments : des cristaux de neige, des cristaux de neige givrée et des flocons de neige, ainsi que des fragments de l’un ou l’autre de ces éléments.

La taille d’un flocon de neige dépend de la distance qu’il parcourt dans sa chute du ciel et de la capacité des cristaux de neige à adhérer les uns aux autres. Habituellement, les flocons les plus gros sont observés à une température près de 0° C, en raison de l’augmentation des forces d’adhérence à cette température. Dans un nuage typique, un flocon d’un millimètre de diamètre peut multiplier sa taille par dix en environ 20 minutes.

La répartition générale des chutes de neige au Canada reflète la proximité d’une région aux sources d’humidité; les chutes de neige annuelles totales sont les plus élevées dans les régions côtières, en particulier dans les montagnes du nord de la Colombie-Britannique, qui reçoivent plus de 1000 cm de neige par année en moyenne, et elles sont les plus basses dans l’Arctique et dans le sud de l’intérieur, où moins de 100 cm tombent par année. Le record du plus grand nombre de chutes de neige en un mois est détenu par la station météorologique Haines Apps dans le nord de la Colombie-Britannique, où 535,9 cm de neige sont tombés en décembre 1959. La ville de Victoria en Colombie-Britannique, reçoit environ 28 cm de neige par année et est la moins enneigée des grandes villes canadiennes, tandis que St. John’s à Terre-Neuve-et-Labrador, qui reçoit environ 335 cm de neige par année, est la plus enneigée des grandes villes. Il est possible que certaines régions connaissent des chutes de neige supérieures ou inférieures à leurs moyennes historiques, car le changement climatique continue de modifier les conditions météorologiques en altérant les niveaux d’humidité, les températures et d’autres variables climatiques.

Manteau neigeux

Le manteau neigeux est l’accumulation de neige au sol résultant de précipitations solides. La structure et les dimensions de cette couverture neigeuse varient considérablement dans l’espace et dans le temps en fonction d’une multitude de facteurs comme la localisation des tempêtes qui apportent les chutes de neige en hiver, les conditions météorologiques entre les tempêtes, l’action du vent (qui est impliqué dans la redistribution, le compactage et la sublimation de la neige), la topographie de surface et la couverture végétale.

Le manteau neigeux est important pour plusieurs raisons. Premièrement, il représente une réserve d’eau considérable qui est libérée durant la fonte printanière. Il est essentiel de connaitre la quantité d’eau que contient le manteau neigeux (l’équivalent en eau de la neige [EEN] est déduit des informations sur la profondeur et la densité du manteau) et la vitesse à laquelle il fond, afin de prévoir les inondations et gérer de manière optimale les ressources en eau pour des applications comme la production d’hydroélectricité et l’irrigation. Deuxièmement, la neige est un excellent isolant qui empêche le sol de geler en profondeur. Par exemple, la température moyenne de l’air en janvier à Goose Bay au Labrador est de -16,4° C, tandis que la température moyenne du sol à une profondeur de 5 cm est de seulement -2,1° C. La différence est de plus de 14° C en raison de l’effet isolant de la neige. Cela permet à divers animaux de la faune de survivre à des températures plus froides en s’enfouissant dans la neige ou dans le sol (voir Animaux en hiver). Troisièmement, en raison de sa réflectivité élevée (de 80 % à 90 % pour la neige fraiche, effet connu sous le nom d’effet albédo) et de ses propriétés isolantes, le manteau neigeux modifie considérablement les échanges d’énergie entre la surface et l’atmosphère. De nombreuses études démontrent que les températures moyennes de l’air sont généralement plus froides de 5 à 10° C lorsqu’un manteau neigeux est présent. Un manteau neigeux étendu permet à l’air froid de se déplacer sur de grandes distances sans subir de réchauffement important. Cet effet de rétroaction signifie que les hivers avec un manteau neigeux plus important que la normale ont tendance à être plus froids que la normale.

L’évolution temporelle d’un manteau neigeux est très complexe. Dès qu’un flocon de neige atteint la surface, toute une série de processus se déclenche, modifiant la structure cristalline du flocon. Ces processus sont collectivement décrits par le terme « métamorphisme de la neige » et ils comprennent trois processus principaux : le métamorphisme destructif ou isothermique, la métamorphose par gradient de température, et la métamorphose de la fonte.

Métamorphisme destructif

Le métamorphisme destructif est la conséquence d’une loi physique fondamentale : l’énergie et la masse s’écoulent des zones à haute concentration vers les zones à basse concentration. Le rapport de la surface sur la masse des flocons de neige est très élevé, ce qui signifie qu’ils ont un état d’énergie de surface élevée. Lorsqu’elles atteignent le sol, les molécules d’eau migrent pour réduire cet excès d’énergie libre, ce qui entraine une transformation rapide des cristaux en forme d’étoile en un agrégat de grains lisses arrondis, oblongs ou de forme irrégulière. Ce processus est particulièrement important au début du dépôt de la neige et il se produit plus rapidement dans une neige plus chaude. Au cours de ce processus, la vapeur d’eau forme également des « cols de glace » entre les grains adjacents, un processus appelé le frittage. Ce processus crée des liens solides entre les grains, ce qui donne une neige dense et dure. L’action compactante du vent peut également créer une couche superficielle de haute densité appelée « plaque de vent ».

Métamorphose par gradient de température

La métamorphose par gradient de température se produit lorsque la neige est un bon isolant. Cela signifie qu’il existe souvent un important gradient de température entre la couche superficielle froide et la couche plus chaude qui recouvre le sol; ceci provoque la migration de la vapeur d’eau contenue dans les grains de neige de la couche superficielle vers les grains de neige situés plus profondément dans le manteau neigeux. Ce processus mène à la formation de gros cristaux arrondis, appelés « neige granulée de profondeur », près du fond du manteau neigeux. Les grains de neige ne sont que faiblement liés entre eux et ils contribuent à augmenter le risque d’avalanches dans les régions montagneuses.

Métamorphose de la fonte

La métamorphose de la fonte décrit les changements dans la structure de la neige causés par les cycles de fonte et de gel. Grâce à sa structure poreuse, le manteau neigeux peut retenir une quantité considérable d’eau de fonte de neige. Les cycles consécutifs de fonte et de gel sont fréquents au début du printemps (fonte durant le jour, gel durant la nuit). Ces cycles entrainent la formation de gros grains irréguliers appelés « neige granuleuse » et ils provoquent le réchauffement du manteau neigeux lorsque la chaleur latente est libérée par l’eau qui regèle. Le réchauffement de la neige est une condition préalable nécessaire à la disparition du manteau neigeux et est appelé « maturation ». Les divers processus métamorphiques associés au compactage dû au poids de la neige entrainent une augmentation progressive de la densité de la neige durant l’année, qui passe d’une valeur initiale d’environ 100 kg/m³ à 300-400 kg/m³ avant la fonte.

L’évolution du manteau neigeux peut être examinée en creusant un trou dans la neige (une « coupe stratigraphique » est le terme technique) et en observant les différentes couches et la forme des cristaux. Les grosses chutes de neige sont habituellement clairement visibles, tout comme le sont les couches de glace causées par la pluie ou la neige mouillée.

Manteau neigeux selon les régions

On observe des différences notables dans les caractéristiques moyennes du manteau neigeux à travers le Canada. Elles correspondent aux principales zones climatiques et aux principales zones de végétation. On distingue cinq régions ayant un manteau neigeux caractéristique : la toundra (couverture peu épaisse, surtout constituée d’une plaque de vent), la forêt boréale (couverture d’épaisseur moyenne, formation importante de neige granulée), la région maritime (couverture profonde, couches de glace fréquentes), les prairies (couverture peu profonde, plaques de vent multicouches), et la région alpine (couverture profonde, multicouche, très variable). Au sein de ces régions, il existe de grandes différences dans le manteau neigeux qui sont liées à la topographie et à la densité de la végétation, ainsi que des différences à l’échelle régionale liées à des chutes de neige plus importantes, comme la ceinture de neige qui se forme sous le vent des Grands Lacs (voir Régions physiographiques).

Mesure du manteau neigeux

La grande variabilité spatiale du manteau neigeux fait en sorte qu’il est extrêmement difficile d’obtenir des estimations fiables de la quantité de neige au sol. Des mesures quotidiennes et régulières de l’épaisseur de la couche de neige sont effectuées dans plusieurs centaines de stations météorologiques à travers le Canada. Toutefois, ces sites ont tendance à être concentrés dans les régions peuplées à basse altitude. Afin d’améliorer la représentativité spatiale des mesures du manteau neigeux et obtenir des renseignements sur l’équivalent en eau de la neige pour la planification des ressources en eau, de nombreux organismes gouvernementaux et autorités en hydroélectricité mesurent régulièrement (habituellement toutes les deux semaines) l’épaisseur et la densité de la neige sur une série de points, une méthode appelée « ligne de relevés d’enneigement ». Ce processus demande un nombre élevé de mains d’œuvre et ne fournit qu’un petit échantillon du manteau neigeux sur une région.

En raison de ces limites, on utilise de plus en plus la technologie satellite pour surveiller le manteau neigeux à partir de l’espace. Les satellites à micro-ondes actifs et passifs ont démontré leur capacité à cartographier les équivalents en eau de neige sur les types de terrains sélectionnés, quelles que soient les conditions météorologiques. Ces données micro-ondes passives sont largement utilisées par les gestionnaires de ressources en eau dans les Prairies. Les scientifiques canadiens s’efforcent actuellement d’étendre cette méthode à d’autres environnements comme les forêts, où les signatures micro-ondes de la couverture neigeuse sont plus difficiles à interpréter (voir Information sur le climat; Observations météorologiques).

Variabilité

Comme tous les autres composants du système climatique, le manteau neigeux varie considérablement d’une année à l’autre en raison de la variabilité naturelle de la circulation atmosphérique qui affecte la chute de neige et la température. On dispose d’observations par satellite fiables pour l’étendue du manteau neigeux depuis le début des années 1970. Ces données suggèrent que le manteau neigeux diminue dans une grande partie du sud du Canada, en particulier dans la région des Prairies durant le printemps.

Les résultats des études de modélisation et de sensibilité suggèrent que le manteau neigeux continuera à diminuer de façon significative dans une grande partie du sud du Canada, en particulier dans les régions continentales intérieures, en raison du changement climatique. Cela aura d’importantes répercussions importantes sur l’agriculture, la production d’hydroélectricité, les industries liées à la neige (voir Ski alpin), ainsi que les plantes et animaux sauvages.