mission impossible ?
Alain Duclos, TRANSMONTAGNE
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Abstract
Avalanche prediction for snow slabs : impossible mission ?
A several-year study based on observations carried out both on the field and inside the laboratory has enabled us to describe accurately slab avalanches triggered by passing skiers or pedestrians, within a limited area. Simultaneously, some systematic measurements have permitted to describe the weather conditions.
The study of slabs themselves on the one hand and of the weak layers on the other, has shown that quite varied situations are likely to produce slab avalanches (whether from the point of view of grain types or from physical properties of the snow itself). Nonetheless, some major elements have emerged : they concern the important amount of fresh snow along slabs (up to 70 % of precipitation particles and partly decomposed precipitation particles), the peculiar capacity of layer of depth hoar crystals to release both thick slabs and slabs of various texture, and the capacity of fresh snow to build up weak layers.
That set of observations has led us to consider that, on the field, a precise analysis of the snow-pack is not sufficient to establish a diagnostic of its stability. It seems that much significant information is derived from an investigation into the " age " of the last snow-fall or snow-drift.
We believe that our aptitude to predict avalanche hazards is quite different whether the slope concerned as been studied before (special instrumentation and knowledge) or not (back country).
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Comment continuer à pratiquer le hors-piste ou le ski de randonnée sans pour autant accepter une prise de risque incontrôlée ?
Une expérience de plusieurs saisons dans un service de pistes ainsi qu’une fréquentation assidue de la haute montagne m’avaient montré que ni les enseignements dispensés à propos des avalanches, ni les intuitions des professionnels de la neige, n’étaient suffisants pour évaluer correctement ce risque.
A partir de ce constat, un programme de recherche a été établi pour progresser dans l’aptitude à prévoir les avalanches de plaques. Quatre étapes ont été définies : observer scrupuleusement un site avalancheux, compléter les observations de terrain par des analyses en laboratoire, rassembler l’ensemble des informations collectées dans une base de données, puis exploiter ces dernières pour en extraire des résultats tangibles.
A l’issue de plusieurs années, et malgré une approche scientifique rigoureuse, les résultats obtenus sont relativement maigres : des réponses aux questions formulées au début de l’étude ont été trouvées, mais elles ne suffisent pas à prévoir la stabilité d’une pente. S’il est relativement aisé de reconnaître les situations pour lesquelles des avalanches sont possibles, nous ne sommes pas encore capables de produire un diagnostic de stabilité sûr pour une pente quelconque.
Après avoir exposé nos résultats sur les aspects nivologiques concernant les avalanches de plaques, nous évoquerons les conditions météorologiques qui semblent nécessaires aux avalanches. Enfin, nous proposons une stratégie destinée à aider le montagnard dans la prise de décision pour engager une sortie, la poursuivre, la stopper.
Rappel du contexte de l’étude
Une étude préliminaire fut menée pendant l’hiver 1992-1993 sur le domaine skiable de Valfréjus avec la participation de TRANSMONTAGNE, de l’ANENA et du CEMAGREF. Ayant permis de mettre en évidence plusieurs zones d’ombres subsistant dans la connaissance du phénomène avalancheux, elle fut suivie entre 1994 et 1998 par une étude plus complète. Celle-ci a également eu pour siège une partie du domaine skiable de Valfréjus, et a bénéficié de l’aide de TRANSMONTAGNE, de l’ANENA, de l’IFENA et du CEN.
Toutes les avalanches se produisant sur la zone choisie ont été recensées, et celles déclenchées accidentellement ont fait l’objet d’observations particulières. Dans cette zone, une pente reconnue pour sa sensibilité à l’activité avalancheuse a été sélectionnée afin d’effectuer des séries quotidiennes de mesures et de prélèvements de neige. Une base de données relationnelle a été conçue selon la méthode MERISE pour répondre aux besoin de l’étude (saisie et exploitation de données nombreuses et variées) ; elle comprend notamment les informations associées à 295 avalanches, 638 strates et 436 prélèvements de neige. Tous les prélèvements ont été étudiés en laboratoire pour une analyse experte de la forme des grains.
Les premières questions posées concernaient la constitution des plaques proprement dites et des couches où se produit le cisaillement (sous la plaque) (Figure 1). Les résultats présentés sont issus de l’étude de 22 plaques sur les 295 avalanches enregistrées : une sélection sévère a été opérée pour ne retenir que les plaques déclenchées accidentellement par passage de skieur(s) ou de piéton, et ayant fait l’objet d’observations complètes et précises exactement au niveau de la cassure. Cette sélection garantit la signification des mesures, mais doit conduire à relativiser la portée des résultats à cause du faible nombre de cas considérés.
Constitution des plaques
Du point de vue de la forme des grains, le premier constat concerne la diversité des formes observées (Figure 2). La neige récente constitue la majeure partie du volume de neige impliqué (67%), suivie par la neige constituée principalement de grains fins (29%) et enfin celle constituée principalement de grains à faces planes (4%). Une seule fine couche de grains ronds a été observée (elle n’apparaît pas sur la figure).
Un retour aux données initiales pour un examen au cas par cas suscite plusieurs remarques :
On note l’absence de couches de gobelets ou de particules reconnaissables nettement affectées par une métamorphose de gradient fort ou moyen dans les plaques observées.
Une influence possible de détails morphologiques : la forme des cristaux de neige fraîche et le degré de givrage des particules.
Ayant remarqué la présence fréquente de givrage sur les particules de neige récente observées dans les plaques, nous avons souhaité évaluer la possibilité d’une relation entre le degré de givrage des cristaux et l’aptitude d’une couche à constituer une plaque.
Pour cela, nous avons comparé la population des strates observées dans des pentes d’inclinaison supérieure ou égale à 22° (inclinaison au-dessus de laquelle des déclenchements de plaques ont été observés), avec celle des strates observées dans les plaques (Tableau Erreur! Document principal seulement.). Les résultats montrent que, si le phénomène de givrage concerne 66% de la neige récente observée dans les plaques, elle concerne aussi 60% de la neige récente observée dans des strates quelconques. La similitude, en ordre de grandeur, de ces deux valeurs, incite à croire que le givrage des cristaux est un phénomène courant, qui n’a pas de répercussions sur la stabilité de la couche ainsi formée.
Une même démarche nous a conduit à supposer que les cristaux de neige fraîche non dendritiques (colonnes ou boutons de manchettes par exemple) ont une meilleure aptitude à former des plaques que les cristaux de neige en étoiles.
Ces remarques ne sont citées qu’à titre indicatif ; elles demandent à être précisées par des observations complémentaires.
Du point de leurs caractéristiques physiques, les couches de neige observées dans les plaques montrent aussi une grande diversité. En considérant toutes les couches appartenant aux 22 plaques retenues, on réalise qu’environ la moitié du volume de neige mobilisé peut être qualifié de tendre (résistance au cisaillement inférieure à 1.7 kgf/dm2) et de léger (masse volumique inférieure à 176 kg/m3).
Ce constat, associé à celui de la diversité des formes de grains et de cristaux, pose le problème de la possibilité d’identifier les plaques : est-il possible, sur le terrain, d’affirmer que telle couche de neige constitue une plaque instable ? Dans l’état actuel des connaissances et des techniques d’observation, la réponse est " non ".
Les deux graphiques représentés sur la Figure 3 permettent d’argumenter cette réponse. Afin de comparer les valeurs de masse volumique et de résistance au cisaillement relevées dans des plaques, avec celles relevées dans une population de strates plus large, nous avons pris en compte l’ensemble des strates observées, dans le cadre de l’étude, sur des pentes d’inclinaison supérieure ou égale à 22° (minimum à partir duquel des avalanches ont été observées). Pour les deux paramètres retenus, les valeurs mesurées dans les plaques couvrent presque toute l’étendue des valeurs mesurées dans les pentes. Dans une majorité de cas, la distinction entre des couches formant des plaques et des couches inoffensives ne semble donc pas possible au vu de leurs seules caractéristiques physiques.
De plus, une des grandes difficultés posées par l’étude des plaques est induite par l’hétérogénéité de leur constitution. Si, par exemple, une plaque est constituée de 25 cm de neige légère surmontant 10 cm de neige plus lourde, il n’a pas été possible de différencier les rôles respectifs joués par chacune de ces deux couches. Pour rechercher des indices, nous avons distingué trois types de plaques en fonction de la distribution verticales des masses volumiques des couches qui les constituent :
En regardant les fréquences de chaque type, il semble que les situations pour lesquelles les couches ont des masses volumiques croissantes du haut vers le bas soient les plus favorables à la formation de plaques instables (Figure 4). Pourtant, cette tendance ne pourra pas être considérée comme une règle. En effet, il est possibles que ces situations soient de toute façon les plus fréquentes quelle que soit la stabilité du manteau neigeux (sauf métamorphose de gradient moyen ou fort, les couches profondes se tassent). Des plaques ont aussi été observées avec une situation inverse. De ce côté non plus, donc, aucune information décisive.
Constitution des couches sous les plaques
L’examen des formes de grains impliquées dans les couches où s’est produite une rupture par cisaillement montre une nette dominance des gobelets (40% des couches concernées), suivis des particules reconnaissables (20% des couches concernées) et des grains à faces planes (20% des couches concernées).
Un regroupement des formes en fonction de leur degré d’évolution et de leur type de métamorphose montre l’importance des grains anguleux d’une part (60% des couches), et de la neige récente d’autre part (32% des couches) (Figure 5).
Un retour aux données initiales montre que les deux couches décrites comme étant composées principalement de grains fins comprennent aussi des grains à faces planes pour l’une, et des particules reconnaissables pour l’autre. Etant donné le mode de prélèvement des échantillons de neige, et la finesse potentielle des couches où se produit le cisaillement, il est possible que les grains fins considérés comme dominants appartiennent en fait aux couches adjacentes à celle où s’est produit le cisaillements (couches " base " ou couches " mouvement "). C’est pourquoi nous n’avons pas tenu compte de ces couches dans la suite de l’étude.
Si le rôle des grains anguleux dans le déterminisme de l’instabilité a déjà été souligné par plusieurs auteurs (travaux sur les " couches fragiles "), il reste important de souligner au moins deux points :
L’observation (ou la prévision) de couches de grains anguleux enfouis doit donc conduire à se méfier, mais leur absence ne doit pas être considérée comme un gage de sécurité.
Particularités des gobelets
En regroupant les plaques retenues en fonction de la constitution des couches où s’est produit le cisaillement, une propriété particulière des couches de gobelets apparaît (Figure 6) :
Ces observations confirment que les couches de gobelets peuvent rester efficace longtemps après avoir été formées et enfouies. Leur observation (ou leur prévision) peut donc difficilement être ignorée lors de l’établissement d’un diagnostic de stabilité.
Quels sont les points communs à toutes les situations avalancheuses observées ?
Dans 20 cas sur 23 (Figure ) , au moins une des couches mobilisée est constituée principalement de neige récente. Pour l’un des trois cas restants, la rupture par cisaillement s’est produite dans de la neige récente. Ceci indique de façon certaine que dans 21 cas sur 23, les événements se sont produits relativement peu de temps après une chute de neige.
Seules deux avalanches se sont produites alors qu’aucune couche n’a été décrite comme comprenant de la neige récente en majorité :
Quelques idées... à nuancer... à confirmer.
Il semble que la stabilisation après le dépôt de neige nouvelle soit lente en début de saison (jusqu’à une dizaine de jours en janvier). Le délai nécessaire serait plus court ensuite (de l’ordre de 3 ou 4 jours en mars).
Il semble que lorsque l’épaisseur de neige dépasse une cinquantaine de centimètres, la probabilité de déclenchement accidentel diminue. Il ne faut pas négliger le fait que, dans le même temps, la probabilité de départ spontané augmente. Rappelons aussi que, l’épaisseur de neige nouvelle pouvant être variable, le passage d’un skieur là où l’épaisseur n’atteint que 30 cm peut provoquer le départ d’une plaque dont l’épaisseur maximum dépasse 150 cm.
Les conditions nivologiques considérées comme nécessaires sont-elles suffisantes ?
Lorsque l’on examine les plaques sélectionnées, il semble qu’un certain nombre de conditions nivologiques sont nécessaires pour qu’un déclenchement se produise. Pour les tester, nous avons retenu les critères se rapportant au type de grains (neige fraîche à l’exception des couches comprenant surtout des étoiles, ou particules reconnaissables), à l’épaisseur de neige nouvelle (plus de 9 cm au cours des 5 journées précédentes) et à la masse volumique (plus de 75 kg/m3). Sur cette base, nous avons recherché toutes les situations satisfaisant ces critères sur la pente-test fréquentée quotidiennement (Figure 7).
Selon ces critères, au cours des campagnes de mesures 1994-1995 et 1995-1996, 44 journées ont été considérées comme susceptibles de produire des avalanches de plaques déclenchées accidentellement. Au cours de cette période, 8 avalanches seulement ont été déclenchées. 7 d’entre elles se sont produites lors d’une des 44 journées sélectionnées. L’une d’elles s’est produite en dehors : le 15 décembre 1995 (cette journée n’avait pas été sélectionnée à cause de la localisation des mesures).
La rectification sur le nombre de journée sensibles ayant été opérée, on peut considérer que, 8 fois sur 45 seulement (» 18%), les conditions nécessaires et les conditions suffisantes ont été réunies pour permettre le déclenchement accidentel.
L’absence d’avalanches pendant les périodes du 17 au 27 février 1995 et du 23 au 27 décembre 1995 est particulièrement étonnante.
Le critère concernant l’existence d’une couche sensible au cisaillement est délicat à prendre en compte, car l’évolution des couches enfouies n’a pas été suivie avec la même précision que celle des couches de surface. Néanmoins, un aperçu est livré par les profils stratigraphiques réalisés sur la pente-test. Ils montrent que ce n’est pas l’absence de couche fragile typique enfouie (gobelets peu résistants) qui a donné lieu à la stabilité inattendue constatée pendant deux périodes correspondant à des cumuls de neige importants :
A cet égard, il faut noter que les 20 profils stratigraphiques réalisés sur la pente-test au cours des deux saisons d’observations indiquent tous la présence d’une ou de plusieurs couches enfouies comprenant des gobelets. Ceux-ci sont parfois mélangés à des grains à faces planes. Une fois seulement, la seule couche de gobelets présente comprenait aussi des grains ronds (le 25 avril 1996). Ce constat illustre un état de fait qui doit être clair : une ou plusieurs couches fragiles persistent dans le manteau neigeux de plupart des pentes ombragées pendant tout l’hiver, sans pour autant que celles-ci soient systématiquement instables.
Les périodes durant lesquelles des avalanches sont " possibles "
Jusqu'à présent, nous avons recherché les conditions de départ d’avalanches de plaques à partir de l’étude des conditions nivologiques sur un site instrumenté à cet effet.
Pour vérifier l’influence des conditions météorologiques sur l’activité avalancheuse, nous avons considéré l’ensemble des événements s’étant produits sur le domaine skiable étudié au cours de deux saisons. Sur les 73 journées avalancheuses recensées (quelle que soit l’origine des avalanches), 68 sont documentées correctement en ce qui concerne les précipitations et les températures ; 25 d’entre elles seulement sont documentées de façon complète en ce qui concerne aussi le transport de neige par le vent. Lorsque l’on étudie ces 25 cas, trois points se dégagent clairement :
- la presque totalité des avalanches se produisent lorsque des précipitations ont eu lieu au cours de 72 heures précédentes,
- lorsque les précipitations ont été faibles (inférieures à 10 mm), et que les températures diurnes sont restées fraîches, un transport de neige par le vent s’est produit,
- lorsque les précipitations ont été très faibles (inférieures à 5 mm), et que le transport de neige par le vent a été faible ou nul, les températures maximales diurnes ont été particulièrement élevées (supérieures ou égales à 4°C).
Ces observations montrent que, pour la population étudiée, la prise en compte de la température maximale sous abri, des précipitations sur les 72 heures précédentes, et du transport de neige par le vent, aurait pu permettre de prévoir la totalité des journées au cours desquelles au moins une avalanche s’est produite.
Deux stratégies distinctes en fonction de la possibilité de connaître une pente
A l’issue des résultats présentés, il semble relativement aisé de prévoir les périodes durant lesquelles des avalanches sont possibles, sans préjuger ni de leur localisation précise, ni de l’étendue des écoulements. En revanche, nous ne sommes pas encore capables, pour ces périodes, d’indiquer si des avalanches vont effectivement se produire (nous avons observé plusieurs périodes au cours desquelles des quantités importantes de neige nouvelle se sont déposés, sans qu’aucune plaque ne soit déclenchée malgré la présence de couches fragiles enfouies).
Plusieurs causes peuvent expliquer cette stabilité inattendue. Nous pensons par exemple que les éventuelles avalanches qui se sont produites depuis la début de la saison influencent la réaction d’une pente (en dehors de la réduction de charge induite par l’ablation de neige consécutive à chaque avalanche).
Pour produire un diagnostic précis de stabilité sur une pente donnée, il est donc indispensable que cette pente soit surveillée. L’observation des avalanches étant souvent gênée par les mauvaises conditions météorologiques, la détection automatique des avalanches apporterait une aide appréciable. Cette approche est envisageable dans le cadre de la protection d’ouvrages ; elle ne l’est pas en ce qui concerne la sécurité des randonneurs et les adeptes du hors-piste.
Stratégie pour la progression sur une pente quelconque
L’estimation de la stabilité d’une pente n’ayant pas fait l’objet d’un apprentissage particulier reste un exercice délicat. La réalisation d’un profil stratigraphique ne peut pas être suffisante : les variations d’épaisseur de neige dans une zone de départ d’avalanches sont telles que les données relevées à tel endroit ne sont pas extrapolables. De plus, le mécanisme de déclenchement des plaques n’est pas suffisamment bien connu pour que l’on puisse établir une relation entre la constitution d’un manteau neigeux et sa stabilité.
Le montagnard se trouve donc dans l’obligation de fonder son jugement sur des suppositions issues de prévisions, d’observations, et de règles simples (Figure ).
La stratégie proposée comprend deux phases. La première (formulation d’hypothèses) fait appel à l’expérience, aux connaissances théoriques et aux observations du montagnard. Elle donnera lieu à un pronostic qui pourrait être formulé comme ceci : " je pense qu’il y a environ 20 cm de neige nouvelle issue des précipitations d’hier, uniformément répartie au-dessus de 2300 m, et reposant directement sur la couche de gobelets de début de saison ".
La seconde phase est encore plus importante que la première : c’est la vérification de la concordance entre les hypothèses sur la neige... et la réalité : " y-a-t-il effectivement 20 cm de neige nouvelle etc. ? ".
Simultanément à cette vérification, la stabilité doit être évaluée indépendamment de la situation nivologique. En effet, il est possible que la situation nivologique ne soit pas particulièrement alarmante (" il y a 20 cm etc. "), mais que des départs de plaques soient observés. Il est aussi possible que la situation nivologique soit alarmante (" il y a en fait des accumulations atteignant 100 cm sous les crêtes etc. "), mais que les test et autres observations indiquent une situation suffisamment stable pour la course envisagée.
Conclusion
Ce texte a présenté un aperçu rapide des travaux menés pour mieux comprendre les avalanches de plaques, et des conclusions auxquelles je suis parvenu. Il semble que, même si des progrès ont été réalisés dans la connaissance de la neige, leurs applications pour la prévision des avalanches restent rares.
Des écueils importants ont limité la portée de nos recherches basées sur l’observation. Ce sont principalement la variabilité spatiale des phénomènes, aussi bien nivologiques que météorologiques, et les obstacles rencontrés pour obtenir l’information (difficultés d’accès, défaillances de l’instrumentation, etc.). C’est pourquoi le nombre de cas sur lesquels sont fondées nos remarques est toujours trop réduit. Les résultats obtenus sont toutefois cohérents, le plus souvent, avec les intuitions d’hommes de terrain.
La notion de " neige nouvelle " constitue une direction de recherche que nous allons continuer à explorer. Combien de temps reste-t-elle instable ? Comment prendre en compte son épaisseur ou ses variations d’épaisseur ? Les conditions de formation des couches fragiles doivent aussi être précisées.
Un certain nombre de questions trouveront une réponse dans la poursuite des observations de terrain. Par ailleurs, nous comptons sur les résultats de travaux de modélisation entrepris dans le cadre d’une collaboration entre TRANSMONTAGNE la division ETNA du CEMAGREF.