Les tribulations d’un astronome

Le risque d’avalanches de neige en montagne

dimanche 24 mars 2019 par Guillaume Blanc

La version longue de l’article paru dans Carnets d’Aventures n°54 dans la rubrique Décrypter.

La neige est un matériau sublime mais sournois. Elle peut à la fois satisfaire le contemplatif béat par sa beauté, le sportif par le plaisir de la glisse, et insidieusement dévaler les montagnes en emportant qui se trouve sur son chemin sans prévenir (ou presque).

Il y a différentes façons de classifier les avalanches de neige, selon le critère que l’on regarde. Il y a les avalanches qui partent spontanément, et celles qui sont déclenchées à dessein – et à distance – pour sécuriser une pente, ou involontairement et accidentellement par un skieur, raquettiste, alpiniste. Selon la nature de la neige qui s’écoule, il y les avalanches de neige humide, celles de neige fraîche, et les avalanches de plaques dures ; selon le type de départ, ponctuel (avalanche de neige récente ou de neige humide) ou sous forme de cassure dans le manteau neigeux (avalanche de plaque, dure ou friable)... Cette terminologie n’étant pas exclusive ! L’arpenteur de la montagne hivernale est confronté, pour l’essentiel, aux avalanches de plaque, déclenchées accidentellement lors de son passage. Il est souvent démuni devant un manteau neigeux qui se disloque sans prévenir sous ses pas ou sous ses skis. Ce sont ces avalanches-là dont nous allons parler ici. Nous ne parlerons pas des coulées de neige humide, essentiellement rencontrées au printemps quand la neige contient beaucoup d’eau sous forme liquide, ni des spectaculaires avalanches de poudreuse qui peuvent partir sous la forme d’une cassure (plaque) mais qui mobilisent de la neige fraîche, légère, qui se mélange à l’air lors de l’écoulement formant un aérosol dévastateur. La quasi-totalité des avalanches impliquant un randonneur sont déclenchées accidentellement par lui-même ou ses camarades. Les conséquences peuvent être dramatiques si l’avalanche l’emporte. Chaque année, une trentaine de personnes meurent ainsi en France. C’est à la fois peu – au regard du nombre de pratiquants de la montagne hivernale – et beaucoup, sachant qu’il existe des outils mis au point suite à l’accumulation de connaissances sur ces avalanches. Ce sont des avalanches de plaque. Parmi celles-ci on distingue les plaques dures, généralement formées par le vent, et les plaques friables, constituées de neige fraîche. Il convient donc de connaître ce danger pour mieux gérer le risque que l’on prend quand on s’y expose.

 Les ingrédients

Le manteau neigeux qui recouvre la montagne en hiver est un véritable millefeuille avec une myriade de couches de neige empilées aux propriétés physiques différentes. Ces différentes couches résultent de chutes de neige, puis de transformations dues au vent, aux différences de températures entre le cœur du manteau et l’extérieur, à l’ensoleillement, éventuellement la pluie, etc. Les strates sont plus ou moins dures, avec une cohésion plus ou moins importante. La cohésion, c’est ce qui lie les grains de neige les uns aux autres. Elle est d’abord feutrée quand les branches des flocons à la symétrie hexagonale étoilée s’interpénètrent. C’est la fameuse neige poudreuse que nous prenons tant de plaisir à skier. Puis, peu à peu, les branches se cassent, les flocons de neige perdent de leur superbe sous l’action du poids de la neige au-dessus, du vent, des changements de température, bref, ils s’arrondissent en fins grains de glace avec une cohésion de frittage : les grains sont collés les uns aux autres par des petits ponts de glace. Cette cohésion de frittage est assez forte, c’est elle qui permet à la neige d’être sculptée en particulier par le vent, en des édifices d’une incroyable finesse qui défient souvent la pesanteur.

Selon les conditions physiques au sein du manteau comme la différence de température par unité d’épaisseur (le gradient), ces grains de neige qui se retrouvent enfouis peuvent se tasser sagement ou bien perdre de leur cohésion, devenir des gobelets, qui n’ont, eux, presque plus de cohésion entre eux. Un peu comme des grains de riz qui s’écoulent entre les doigts. Ils forment alors une couche fragile. Ce n’est pas la seule façon de former une couche fragile au sein du manteau neigeux : elle peut également provenir d’une fine couche de givre de surface recouverte de neige fraîche.

 Le mécanisme de l'avalanche

Si une telle couche fragile se trouve enfouie sous une couche de neige dont les particules adhèrent les unes aux autres, elle peut devenir un piège invisible. La couche du dessus doit avoir une certaine cohésion, c’est pourquoi on parle de plaque. Elle est friable si la neige est fraîche et donc la cohésion faible ; elle est dure si la neige est plus dense, compactée par le vent, par exemple, avec une cohésion plus forte. Les premières sont plus sournoises, car impossible à détecter de l’extérieur. Les plaques dures, résultant souvent de l’action du vent, peuvent être plus visibles en surface, le vent laissant des traces sur la neige.

Un skieur se baladant à la surface du manteau neigeux induit une surpression – une force, par exemple son poids, appliquée sur une surface, comme la spatule de ses skis – qui se transmet dans l’épaisseur de la neige.

Si cette surpression atteint une couche fragile, elle va la déstabiliser, de la même façon qu’une pichenette met en branle un château de cartes en équilibre précaire.

Si cette couche fragile s’étend sur une grande surface, typiquement plusieurs centaines de mètres carrés voire plus, sa rupture de proche en proche (comme des dominos) permet de désolidariser le haut du manteau neigeux – la plaque –, de son substrat. La rupture de la couche fragile se fait par compression, le poids du manteau neigeux par-dessus fournissant l’énergie nécessaire à la propagation de cette rupture. Ce mode de rupture est peu commun, dans les matériaux habituels, les fissures se propagent par cisaillement ou par étirement. C’est parce que la neige est un matériau poreux que cette rupture peut se propager efficacement par compression. À ce moment-là, la plaque de neige sur laquelle se trouve le skieur est désolidarisée du manteau neigeux inférieur, mais reste retenue par le reste de la couche supérieure.

Si l’inclinaison de la pente est suffisante (au moins 30°), le poids de cette plaque va être supérieur à la résistance en étirement (traction) de la neige constituant cette plaque (ainsi qu’à la force de frottement avec la couche fragile effondrée). Une fissure va alors s’ouvrir dans le manteau neigeux, puis éventuellement s’agrandir, conduisant à la libération de la plaque de neige qui n’a plus qu’à glisser sur la pente. C’est l’avalanche.

Ce n’est pas une « surcharge » du manteau neigeux qui entraîne l’effondrement de la couche fragile, c’est bien une « surpression. » La masse d’un skieur, 70 à 100 kg, ne fait pas le poids face à celle d’une plaque de neige, aussi petite soit-elle : une toute petite plaque de 20 cm d’épaisseur, 10 m de large et 20 m de long, déplace 40 m3 de neige ; avec une masse volumique de 200 kg/m3 cela fait déjà 8 tonnes de neige, donc cent fois plus que notre bonhomme ! La déstabilisation de la couche fragile nécessite une surpression de l’ordre de 200 à 1000 Pa (pascals) : un randonneur à ski exerce une surpression d’environ 4000 Pa en surface ; tandis qu’à pied, c’est 7 fois plus – il est donc préférable d’être à ski. Au passage, on peut tout de suite « tuer » un mythe qui continue de se propager dans les films : comme la surpression acoustique liée à un cri humain, même fort, est de l’ordre de 2 Pa, il n’est pas possible de déclencher une avalanche en criant dans la montagne ! La propagation de l’effondrement de la couche fragile de proche en proche est assez rapide, de 20 à 100 m/s, et peut se faire sur de grandes distances, plusieurs centaines de mètres.

L’effondrement de la couche fragile et sa propagation par compression engendre une onde sonore, une sorte de « wouf », qui peut se traduire par des fissures à la surface. Ces éléments sont des signes patents d’instabilité du manteau neigeux.

Il faut donc principalement trois ingrédients pour qu’une avalanche puisse se déclencher :

  1. une couche de neige dite « fragile, » car de faible cohésion,
  2. un manteau de plus forte cohésion par dessus, la « plaque »,
  3. une pente suffisante, au moins 30° par rapport à l’horizontale.

Le mécanisme de déclenchement se fait essentiellement en quatre étapes :

  1. une perturbation induite par un skieur, par exemple, qui effondre la couche fragile localement,
  2. cet effondrement se propage sur la surface alentour,
  3. une fissure s’ouvre dans la couche supérieure,
  4. la fissure s’agrandit sous le poids de la plaque, et la libère.

Il s’agit donc d’un processus complexe, mettant en œuvre une succession de circonstances favorables, donc finalement assez rare. C’est pourquoi on constate assez peu d’accidents d’avalanches compte tenu du nombre importants de randonneurs dans la montagne hivernale. C’est aussi ce qui explique le fait que ce sont souvent les montagnards expérimentés qui se font surprendre dans un accident d’avalanche : on peut arpenter très souvent une pente dans les mêmes conditions apparentes sans déclencher d’avalanche, et donc prendre inconsciemment confiance. Mais il peut s’avérer qu’une autre fois, malgré des conditions apparentes similaires, les ingrédients soient réunis dans le manteaux neigeux pour que la neige se décroche et dévale la pente.

 Pourquoi cet angle limite de 30° ?

On constate que la quasi-totalité des accidents d’avalanches a lieu sur des pentes (au niveau du déclenchement) supérieures à 30° d’inclinaison. Cet angle limite semble pouvoir s’expliquer en considérant le coefficient de frottement de la neige sur elle-même.

Si on imagine une plaque de neige sur une faible pente, par exemple 20°, en équilibre.

Elle est soumise à trois forces, son poids, P, la réaction du substrat, N, qui l’empêche de s’enfoncer dans le sol, et une force de frottement (ou de cohésion), T, qui l’empêche de glisser vers le bas sous l’action de son poids. On suppose que l’on augmente l’inclinaison de la plaque petit à petit. À un certain moment, la pente sera suffisante pour faire glisser la plaque. Juste au moment où elle se met en mouvement, on définit le coefficient de frottement statique comme le rapport de T sur N. Quand la plaque glisse, elle a alors une accélération a. Le rapport T sur N est alors nommé coefficient de frottement dynamique. Le rapport de frottement statique est plus grand que le coefficient de frottement dynamique : il est toujours plus difficile de mettre en branle une armoire que l’on fait glisser sur le sol que de la faire glisser une fois qu’elle est en mouvement, car alors la force de frottement T est plus faible.

Des mesures de ce coefficient de frottement dynamique ont été faites, elles correspondent à un angle limite de la pente entre la situation de non glissement et de glissement de 30,1° +- 1.7°, ce qui semble corroborer le fait que la grande majorité des avalanches a lieu au-dessus de 30°.

 Comment se prémunir contre cet aléa ?

On peut savoir exactement si une couche fragile se présente sous nos pieds à une profondeur raisonnable : pour que la surpression que nous induisons en surface puisse déstabiliser la couche fragile, il faut que la couche de neige au-dessus ne soit pas trop importante, de l’ordre du mètre [1]. Pour cela, il suffit de creuser un trou, d’examiner minutieusement la stratification du manteau neigeux et de détecter, avec un peu d’expérience, une éventuelle couche sans cohésion. En gardant à l’esprit que l’épaisseur de cette couche peut être très fine, quelques millimètres, et parfois presque confondue avec la couche adjacente. Mais cela ne suffit pas. Il faut aussi connaître l’étendue de cette couche. Si elle se limite à quelques mètres aux alentours, il n’y a pas de risque. En revanche si elle est vaste et continue, pour peu qu’elle s’épanche sur des pentes suffisantes, le piège est là.

Comme il n’est pas possible, dans l’état actuel des connaissances et dans le contexte d’une balade en montagne de connaître cela – il faudrait a minima examiner la stratification du manteau tous les quelques mètres ce qui est illusoire ! –, d’autres outils sont nécessaires pour prévoir ce risque et tenter de le gérer au mieux.

Le nivologue suisse Werner Munter [2] a ainsi montré que le déclenchement d’une avalanche de plaque par un skieur est un processus aléatoire. En analysant des dizaines d’accidents d’avalanches et des centaines de coupes du manteau neigeux, il en a déduit que le risque d’avalanche repose principalement sur deux paramètres observables, qui sont d’une part l’inclinaison de la pente, d’autre part son orientation : il y a plus d’accidents dans les pentes orientées au nord (dans les montagnes alpines), et plus plus d’accidents avec des avalanches déclenchées sur des pentes inclinées à plus de 35° (les trois quarts des accidents sont dans ce cas). Un troisième ingrédient est le degré de danger issu du bulletin d’estimation du risque [3] (BERA) tel que celui édité chaque jour, l’hiver, par Météo France, pour les principaux massifs français. Le BERA fournit un degré de danger entre 1 et 5, selon une échelle européenne, 1 pour danger « faible », 5 pour danger « très fort » : la plupart des sorties hivernales sur la neige se font par des degrés de danger 2 « limité » ou 3 « marqué ». Le degré 5 est anecdotique, car il est alors préférable de se tenir abrité, de grosses avalanches sont susceptibles de partir spontanément. Outre ce « chiffre », différents éléments dans le BERA permettent d’apprécier la localisation du danger, et éventuellement ses manifestations observables. Il reste une estimation à l’échelle d’un massif effectuée à partir de données parcellaires issues pour l’essentiel des stations de ski. Il est donc préférable de ré-estimer ce degré de danger localement, à partir des observations du manteau neigeux que l’on peut alors faire. Il existe des outils pour aider à cette estimation, qui sont par ailleurs nécessaire quand aucun BERA n’existe, hors-saison ou bien dans certains massifs étrangers.

Compte tenu de ces éléments, Werner Munter a mis au point différentes méthodes pour mieux gérer le risque d’avalanche. Outre la check-list 3x3 où les différentes questions qu’il faut se poser pour prendre des décisions lors d’une course en montagne sont soigneusement rangées dans des cases pour la préparation de la course en amont, pour conduire sa course sur le terrain et pour prendre une décision face à un passage clef, qui est typiquement un passage plus raide, une méthode simple permet d’aider à choisir sa course en fonction des conditions, et à décider devant un passage clef. Il s’agit de la méthode de réduction élémentaire :

  • par degré de danger faible (1), skier avec précaution,
  • par degré de danger limité (2), éviter les pentes à plus de 40°,
  • par degré de danger marqué (3), éviter les pentes à plus de 35°,
  • par degré de danger fort (4), éviter les pentes à plus de 30°,
  • par degré de danger très fort (5), renoncer à sortir.

Par inclinaison de la pente, on entend non seulement la pente où se trouve le skieur, mais également la pente au-dessus de lui, puisque nous avons vu que les avalanches de plaque peuvent se déclencher à distance. On peut donc se trouver sur du plat et déclencher tout de même une avalanche sur les pentes raides (> 30°) se situant au-dessus, et ainsi se faire ensevelir !

 Le risque 0 n'existe pas !

On peut se balader en montagne l’hiver avec un risque très faible de déclencher une avalanche. Pour cela il faut se limiter à des terrains où les pentes sont toutes inférieures à 30° (y compris au-dessus !). Au-delà, malgré l’utilisation des outils précédents, un risque résiduel subsiste. Dans les années 1990, il a été montré que quand on est enseveli dans une avalanche, les chances de survie sont d’environ 90 % dans les 15 premières minutes, avant de plonger vers 30 % à 35 minutes puis à 3 % au-delà de 120 minutes. Sachant que pour avoir une chance de survivre il ne faut pas sauter une barre avec l’avalanche, heurter un rocher ou un arbre. Au-delà de 15 minutes, on meurt généralement rapidement d’asphyxie aiguë sans poche d’air autour des voies respiratoires. Au-delà de 2 heures, on meurt généralement d’une combinaison entre l’hypothermie et l’asphyxie lente. Ces résultats ont permis de mettre en œuvre des stratégies efficaces de secours. Le maître mot est de dégager les voies respiratoires de la victime en moins de 15 minutes. Dans cet intervalle de temps, il faut localiser la victime et la dégager.

La localisation se fait avec un émetteur-récepteur d’ondes électromagnétiques, le détecteur de victime d’avalanche (DVA). Si la victime porte un tel appareil sur elle, celui-ci émet des impulsions électromagnétiques à une fréquence de 457 kHz. Cette fréquence est fixée internationalement, elle permet aux ondes émises de traverser la neige sans trop être atténuées. Il faut que son camarade soit épargné par l’avalanche, il permute son DVA en récepteur, et à l’aide d’un protocole éprouvé il peut chercher et localiser la victime sous la neige. Les appareils modernes disposent de trois antennes dans les trois directions de l’espace, ce qui permet une localisation du signal plus précise, et d’un microprocesseur permettant d’analyser rapidement les signaux sur les trois antennes réceptrices afin d’en déterminer des indications de direction et de distance. La grande antenne sert à émettre le signal et à le réceptionner lors de la recherche grossière. L’antenne « moyenne » sert à la réception lors de la recherche grossière, la petite antenne permet d’améliorer la recherche à proximité du signal reçu. Les ondes électromagnétiques sont émises dans tout l’espace selon un schéma en forme d’oreilles autour du DVA émetteur. La forme des impulsions est donné par le schéma suivant :

Ces impulsions peuvent être perturbées par d’autres ondes, en particulier lorsque le signal est faible, à grande distance. Ces perturbations peuvent provenir de tous les appareils électroniques que nous avons, téléphone portable, GPS, appareil photo, qui émettent des ondes ou pas, l’électronique sous tension générant elle-même de telles ondes. Il convient donc d’éloigner du DVA ces appareils lors d’une phase de recherche. Les anciens DVA n’avaient qu’une seule antenne et pas de microprocesseur, ils étaient analogiques, la recherche se faisait par émission d’un signal sonore correspondant à l’intensité du signal électromagnétique. Ces DVA ne doivent plus être utilisés, ils sont incompatibles avec les DVA numériques actuels, car la largeur de leurs impulsions est bien plus grande pour être détectée analogiquement, ce qui entraîne une confusion des signaux par les DVA numériques.

Le DVA permet de localiser grossièrement la victime sous la neige mais pas de la trouver : pour cela il faut la localiser précisément avec une sonde, et enfin la dégager avec une pelle. DVA, pelle, sonde sont ainsi les trois outils indispensables pour une balade en montagne hivernale.

Ces quelques notions, à la fois sur le déclenchement des avalanches, la survie dans une avalanche et le protocole de secours qui en découle donnent des indications sur la façon de se comporter en montagne sur la neige. Il faut d’une part préparer sa course selon les conditions du moment en utilisant les outils de réduction du risque mentionnés ; sur le terrain, il faut garder des distances de sécurité pour éviter qu’en cas d’avalanche tout le groupe soit enseveli et que personne ne puisse porter secours ; il faut se méfier des pentes raides au-dessus. Ces quelques notions ne sont malgré tout pas une assurance tout risque, il est préférable d’évoluer sur la neige en étant formé pour cela, notamment auprès des fédérations de montagne. On pourra lire avec profit l’ouvrage de Philippe Descamps et Olivier Moret, Avalanches, comment réduire le risque, 2016, éditions Paulsen. On pourra trouver des informations complémentaires et des références sur le blog. Que ces éléments ne viennent pas gâcher le plaisir, il s’agit au contraire de quelques connaissances qui permettent de mieux comprendre et donc de mieux gérer le risque inhérent pour le réenchanter !

[1Cela dépend bien sûr de la compacité du manteau, on pourra déstabiliser plus facilement une couche profonde si le manteau est meuble que s’il est dur.

[2Voir Avalanches 3x3, la gestion du risque dans les sports d’hiver, de Werner Munter, 2006, édité par le Club Alpin Suisse.

[3Ce bulletin est traditionnellement nommé « bulletin d’estimation du risque d’avalanche » même s’il évalue plutôt un danger c’est-à-dire une menace susceptible de causer un dommage. Le risque constitue la probabilité de s’exposer à un danger. Le danger d’avalanche peut être présent, mais si personne ne va en montagne, le risque est nul.


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