La mécanique subtile de l'avalanche se dévoile en 3D

Une avalanche est un événement extrêmement complexe, d’innombrables paramètres et variables physiques entrant en jeu entre le déclenchement et la fin du processus d’écoulement. Johan Gaume, chercheur au Laboratoire des sciences cryosphériques CRYOS et au WSL Institut pour l’étude de la neige et des avalanches SLF*, a réussi à les intégrer et à en faire une simulation numérique d’une grande fidélité. Ses travaux, qui offrent une compréhension inédite du phénomène, pourraient notamment servir à améliorer la gestion des risques en montagne. Ils font l’objet d’une publication** aujourd’hui dans Nature Communications.

Spécialiste des avalanches, le jeune scientifique a passé plusieurs mois, l’an dernier, à l’Université de Californie à Los Angeles (UCLA), où il a collaboré avec des mathématiciens spécialistes en modélisation 3D***, dont certains ont notamment participé, avec les ingénieurs de Disney, à la simulation de la neige dans le film «La Reine des Neiges».

La rencontre entre le savoir-faire de ces mathématiciens et l’expertise scientifique du jeune chercheur de l’EPFL a été fructueuse. Les premiers souhaitaient améliorer la précision de leur modèle de simulation de la neige. Le deuxième leur a apporté ses connaissances pointues en la matière, ainsi que de nombreuses données et observations de terrain acquises et analysées par son collègue du SLF, Alec van Herwijnen, co-auteur de l’étude.

Johan Gaume, expert en avalanche à l'EPFL et au SLF. ©A.Herzog/EPFL

En adoptant une approche inédite, les chercheurs suisses et américains sont ainsi parvenus à créer pour la première fois une simulation réaliste, complète et rigoureuse sur le plan scientifique d’une avalanche dite «de plaque». Celle-ci se caractérise notamment par une cassure linéaire très nette au sommet de la masse de neige qui se détache. Elle peut se produire lorsqu’une couche dense, «la plaque», repose sur une couche fragile, très peu cohésive, et ceci sur une large surface. Difficilement prévisible, souvent déclenché par des skieurs ou des randonneurs, ce type d’écoulement est le plus dangereux et celui qui fait le plus de victimes.

Agent double

«L’originalité de notre approche, c’est notamment de tenir compte du fait que, dans le cas d’une telle avalanche, la neige se comporte à la fois comme un solide et comme un fluide», explique Johan Gaume.

Au départ, l’avalanche est en général causée par une charge supplémentaire, comme le passage de skieurs, ou une autre source de déstabilisation, telle que l’utilisation d’un explosif. Ceci engendre une rupture dans la couche de fond, qui peut se propager rapidement. A cette étape, la neige répond aux principes de la mécanique des solides. Lorsque la fissure s’étend dans la couche fragile, celle-ci finit par s’effondrer en raison de sa structure poreuse et du poids de la couche de surface. Emportée par sa masse et par la pente, cette dernière peut alors se détacher et se mettre à glisser sur la couche fragile. La dynamique collective - collisions, frottements, fractures - des blocs de neige solides issus de cette plaque supérieure fragmentée dans sa chute engendre alors un comportement global de type fluide.

Dans cette recherche, le phénomène d’effondrement de la couche de fond poreuse a été modélisé pour la première fois de manière continue et à grande échelle. De plus, la simulation intègre relativement peu de paramètres, mais essentiels pour contrôler tous les processus importants, comme la dynamique de la fracture, le frottement et le niveau de compaction en fonction du type de neige.

Utilisant un outil inédit dans ce domaine appelé «Material Point Method», destiné à l’analyse du comportement des matériaux en mouvement, les chercheurs ont ainsi dessiné une nouvelle manière d’appréhender les avalanches, qui pourrait permettre d’améliorer leur prévention. « En plus de connaissances générales approfondies sur le comportement de la neige, ce travail pourrait mener à une meilleure évaluation de la taille potentielle d’une avalanche, de sa distance d’écoulement ainsi que de la pression induite sur un obstacle», relève Johan Gaume.

Au chapitre des autres applications possibles, les simulations réalisées par le chercheur pourraient bien également être utilisées dans le domaine artistique, notamment celui des films d’animation.

* CRYOS est une structure commune entre l’EPFL et l'Institut fédéral de recherches sur la forêt, la neige et le paysage WSL. Le WSL Institut pour l’étude de la neige et des avalanches SLF fait partie du WSL.

** «Dynamic anticrack propagation in snow», J. Gaume, T. Gast, J. Teran, A. van Herwijnen, C. Jiang, Nature Communications, juillet 2018.

*** Joseph Teran et Theodore Gast, du département de Mathématiques d’UCLA, ainsi que Chenfanfu Jiang, de l’Université de Pennsylvanie.