14 Janvier 2019  |  Mécanique
Publié dans La Revue POLYTECHNIQUE 11/2018

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

Lors d’une avalanche, la neige peut se comporter à la fois comme un solide et comme un fluide. En partant de ce constat, un jeune chercheur de l’EPFL et de l’Institut pour l’étude de la neige et des avalanches SLF a réussi à modéliser une avalanche de plaque avec une précision inégalée.

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 de l’EPFL et à l’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.
 
Johan Gaume, chercheur au Laboratoire des sciences cryosphériques (CRYOS) de l’EPFL et à l’Institut pour l’étude de la neige et des avalanches (SLF). CRYOS est une structure commune de l’EPFL et de l’Institut fédéral de recherches sur la forêt, la neige et le paysage (WSL). L’Institut SLF fait partie du WSL. (©Alain Herzog/EPFL)
 
 
Une compréhension inédite du phénomène
Les travaux de ce chercheur, qui offrent une compréhension inédite du phénomène, pourraient notamment servir à améliorer la gestion des risques en montagne. Ils ont fait l’objet d’une publication dans Nature Communications.
Spécialiste des avalanches, Johan Gaume 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 Joseph Teran et Theodore Gast, du département de Mathématiques d’UCLA, ainsi que Chenfanfu Jiang, de l’Université de Pennsylvanie. Certains de ces chercheurs ont notamment participé, avec les ingénieurs de Disney, à la simulation de la neige dans le film La Reine des Neiges.
 
Une rencontre fructueuse
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 second 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.
En adoptant une approche inédite, les chercheurs suisses et étasuniens 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.
 
Un comportement à la fois comme un solide et un fluide
«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.
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 –ledes blocs de neige solides issus de cette plaque supérieure fragmentée dans sa chute, engendre alors un comportement global de type fluide.
 
Une simulation continue et à grande échelle
Dans cette recherche, le phénomène d’effondrement de la couche de fond poreuse a été modélisé de manière continue et à grande échelle. De plus, la simulation intègre relativement peu de paramètres, mais qui sont 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 mis au point 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 ce chercheur pourraient également être utilisées dans le domaine artistique, notamment celui des films d’animation.
 
Bibliographie
Dynamic anticrack propagation in snow, J. Gaume, T. Gast, J. Teran, A. van Herwijnen, C. Jiang, Nature Communications, juillet 2018.
 
Johan Gaume
Laboratoire des sciences cryosphériques CRYOS
johan.gaume@epfl.ch
Tél. +33 (0)6 74 82 35 47


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