BIZARRE NATURE (6/7)

Les pénitents de neige, maîtres de la sublimation

Le phénomène des structures verticales régulières «poussant» sur une surface plane, visible notamment dans la Cordillère des Andes, trouve son explication dans la glace, selon deux équipes de chercheurs français

Existe-t-il un point commun entre une pente neigeuse andine hérissée de pics blancs, un bouclier thermique de rentrée atmosphérique qui se désintègre et d’énigmatiques motifs striés sur Pluton ? Peut-être un même mécanisme physique, comme l’explique dans la revue scientifique Physical Review E, le 25 septembre, une équipe de chercheurs français issue d’établissements bordelais et parisiens. Elle y décrit l’apparition de structures verticales régulières à partir d’une surface plane.

Les manifestations les plus spectaculaires du phénomène sont les pénitents de neige ou de glace qui « poussent » dans les montagnes d’Amérique du Sud ou dans le Haut Atlas marocain. Leur forme conique et leur couleur blanche, ainsi qu’une tendance à pencher dans le même sens, leur ont valu ce surnom évocateur. Pouvant ­dépasser le mètre de hauteur, ils apparaissent en quelques mois par sublimation de la neige, c’est-à-dire par la transformation sous l’effet de la chaleur de la glace directement en vapeur, sans passer par la phase liquide.

Boucliers thermiques

En 2006, le phénomène a été reproduit en laboratoire à l’Ecole normale su­périeure de Paris, à plus petite échelle et en quelques heures seulement. « Nous observons la même chose dans les matériaux des boucliers thermiques qui protègent les engins spatiaux lors de la rentrée atmosphérique. La surface devient de plus en plus rugueuse. L’écoulement d’air chaud est perturbé et cela empêche de bien modéliser le phénomène», témoigne Gérard Vignoles, professeur à l’université de Bordeaux. « Les pénitents de glace sont une version exagérée de ce phénomène», ajoute celui qui engagé ses collègues parisiens à se pencher sur cette question. Ces derniers s’étaient déjà illustrés dans la description de l’apparition de dunes terrestres ou sur Titan, le plus gros satellite de Saturne.

L’équipe de 2006, en collaboration avec l’université du Colorado, avait en partie résolu le problème. Un effet géométrique de four solaire est à l’œuvre. Dans un creux, la lumière du soleil se réfléchit sur les parois et chauffe fortement la neige. A l’inverse, un pic n’est chauffé que sur son sommet. C’est cette différence qui accentue les creux. « Mais ce modèle n’explique pas la régularité des motifs. Il ne fournit pas d’échelle de distance », explique Bruno Andreotti, de l’université Paris-Diderot et de l’ESPCI-ParisTech. « Il fallait trouver un mécanisme qui sélectionne certaines distances », ajoute-t-il.

Ce mécanisme fait appel à la thermodynamique de la sublimation. Pour que la neige devienne vapeur, il faut que l’air au-dessus d’elle soit suffisamment sec, ­sinon la couche humide agit comme un couvercle. « Votre linge ne sèche pas si l’atmosphère est humide !», précise Philippe Claudin, de l’ESPCI-ParisTech. C’est la raison pour laquelle les pénitents blancs se forment à haute altitude, dans des régions ensoleillées et sèches. Et c’est pourquoi certaines expériences en laboratoire, comme à l’ESPCI, ont créé plus de neige fondue que de fières pointes blanches…

Distance caractéristique entre les pics

Tenir compte de l’épaisseur d’air humide fait apparaître la distance caractéristique entre les pics. Si l’atmosphère est sèche au-delà de 1 millimètre, les physiciens prévoient des pénitents tous les 30 centimètres. Cette épaisseur dépend du vent, de la géométrie, de l’ensoleillement… Beauté des équations, ce paramètre-clé fixe la régularité des motifs, indépendamment des perturbations originelles en surface. «Ce qui pousse le plus vite est guidé par cette épaisseur, qui est celle qui amplifie le phénomène », ajoute Bruno Andreotti.

« Nous avons progressé sur la question des pénitents de glace, et cela nous apporte de nouveaux outils pour aborder notre question initiale des boucliers thermiques, qui n’est pas résolue », estime Gérard Vignoles. Du côté de l’ESPCI, on s’interroge sur le rôle de la sublimation dans l’apparition de motifs sur des corps massifs comme Pluton, la comète Churyumov-Guerrassimenko ou Europe, l’une des lunes de Jupiter.

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