Microstructure de la neige

La thématique Microstructure de la Neige concerne l’étude de la structure de la neige à l’échelle de ses grains de glace. Elle s’appuie sur des outils expérimentaux et numériques tels que la microtomographie, l’analyse d’images et la simulation numérique.

Microtools
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- EXPERIMENTATION
— Microtomographie X en absorption
— Tomographie par Contraste de Diffraction (DCT)
— Métamorphose d’isothermie
— Métamorphose de gradient de température
— CellDyM: une cellule froide pour la tomographie par intervallométrie à température ambiante
- ANALYSE D’IMAGE 3D
— Vecteurs normaux
— Aire surfacique
— Courbure moyenne
— Courbure gaussienne
— Segmentation en grains
— Coupe minimale
- MODELISATION 3D DE METAMORPHOSES DE NEIGE
— Métamorphose d’isothermie - phénomène réactif
— Métamorphose de gradient de température - phénomène réactif
— Métamorphose d’isothermie - phénomène diffusif
— Métamorphose de gradient de température - phénomène diffusif
— Tassement de la neige lors d’une métamorphose d’isothermie
- PROPRIETES PHYSIQUES ET MICROSTRUCTURELLES A PARTIR D’IMAGES 3D
— Porosité et densité
— Longueurs de corrélation
— Surface spécifique
— Surface spécifique de contact entre grains
— Distributions de courbure moyenne
— Distributions de courbure gaussienne
— Tenseur de conductivité thermique effective
— Tenseur de perméabilité intrinsèque
— Tenseur de diffusivité
— Tenseur de tortuosité
— Densité de coupe minimale
— Tenseur de raideur élastique
- HOMOGENEISATION : DE LA MICRO A LA MACROECHELLE
— Transferts de chaleur et de masse couplés au changement de phase
— Influence de la convection forcée dans la neige sèche

Personnel impliqué actuellement :
- Responsable de la thématique : Frédéric Flin
- Membres permanents : Anne Dufour, Pascal Hagenmuller, Philippe Lapalus
- Etudiants et Post-docs : Rémi Granger

Anciens membres :
- Membres permanents : J.-B. Brzoska, C. Coléou, Bernard Lesaffre
- Etudiants et Post-docs : S. Borel, S. Cabanes, N. Calonne, R. Caneill, P.-J. Font, L. Gillibert, A. Hasan, C. Mehu, A. Philip, R. A. Pieritz, A. Regenscheit, B. Voisin, X. Wang, A. Wautier

Principales collaborations :
- Tomographie : 3S-R Lab, ESRF
- Neige et glace : ILTS, IPAG, IRSTEA / Etna, LGGE
- Analyse d’images : HIT, LAMA, LIRIS
- Modélisation : 3S-R Lab, ICJ, LAMA, LGGE, LJK
- Applications : 3S-R Lab, IFTS, IRSTEA / GPAN

Etudes à microéchelle

During a snowfall, the snow crystals accumulate on the ground and gradually form a complex porous medium constituted of air, water vapor, ice and sometimes liquid water. This ground-lying snow transforms with time, depending on the physical parameters of the environment. This process, called metamorphism, can be divided into three main types of metamorphisms : the wet snow metamorphism, the isothermal metamorphism, and the temperature gradient (TG) metamorphism. In polar or mountainous conditions, these processes are followed by compaction of snow into ice under the load of the upper snow layers.

Although the effects of theses different transformations are roughly well-known, the physical mechanisms that lead to these transformations are not yet perfectly well understood. A better comprehension of these mechanisms would help understanding how the snow and ice change their microstructure depending on the applied physical conditions. For instance, this offers interesting outcomes to forecast snow, firn and ice thermal, mechanical and chemical properties.

This research has potential major impacts in different research fields such as :
- avalanche risk forecasting ;
- artificial snow management ;
- environmental and atmospheric chemistry ;
- past climates and interpretation of ice cores ;
- numerical modeling of the cryosphere ;
- snow road viability.

Etudes tridimensionnelles

In most of common microstructural studies, materials are generally observed with the help of 2D projections (optical microscopy, SEM imaging, ...). These kind of observations are generally easy and fast, and allow the investigation of a large amount of samples. However, these images are often difficult or impossible to use quantitatively, because important information is missing : materials volumes generally have a complex three-dimensional structure, while the investigation process is only bi-dimensional.

Hopefully, new techniques such as confocal imaging or tomography are becoming easily available and allow to obtain precise three-dimensional information from the inside of the investigated samples, without damaging the sample. By using image analysis algorithms, it is then possible to extract a lot of information from these 3D original images. For instance, such images can :
- provide accurate and complete quantitative data measurements that are not biased by projection effects ;
- give access to typical 3D key parameters such as local curvature, Euler number and other connectivity-related parameters that should be necessarily considered in 3D ;
- open new fields to the three-dimensional simulation of physical processes because numerical models can be applied directly on the numerical 3D image of real samples.