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Conductivité thermique de la neige

L’étude scientifique de la neige et du manteau neigeux peut constituer un élément crucial dans la compréhension des grands événements climatiques. En couvrant chaque année plus de 46 millions de km2, la neige joue un rôle important dans l’équilibre du climat mondial à travers divers facteurs. Le manteau neigeux constitue une barrière majeure contre le rayonnement solaire entrant. En effet, il reflète entre 80 et 90% des rayons et joue un rôle dans le maintien du bilan énergétique des planètes. De nombreux lacs et rivières sont alimentés par la fonte des neiges chaque printemps. En hiver, la neige agit comme isolant entre le sol, les plantes, les micro-organismes qui y vivent et les températures glaciales de l’hiver. L’étude de la conductivité thermique de la neige permet de comprendre les échanges thermiques à travers la neige ainsi que les gradients de température existant entre l’air et le sol.

La conductivité thermique de la neige est souvent difficile à déterminer car elle est extrêmement variable et peut changer rapidement. La densité, la teneur en eau, la structure cristalline et le contact de proche en proche affectent la conductivité thermique d’un échantillon de neige. Les mesures sont souvent difficiles à reproduire sur le même échantillon. En effet, la mesure elle-même peut modifier la structure et la densité, ce qui influe sur la conductivité thermique. Les sondes sont les équipements les plus utilisés pour les essais de conductivité thermique sur la neige. Cette application présente la capacité du TLS-100, conductivimètre portable de Thermtest, à mesurer la conductivité thermique de la neige.

Transient Line Source TLS-100 : appareil portable de mesure de la conductivité thermique des sols et roches

Le TLS-100 est un instrument de mesure portatif. Il peut être utilisé en laboratoire sur des échantillons prélevés sur le terrain, ou directement in situ, sur le terrain.

 

Conductivimètre portable TLS

Le TLS-100 réalise des mesures de conductivité thermique et de résistance thermique sur les sols, les solides, les poudres et les liquides visqueux sur une gamme de 0,1 à 5 W/m.K. Les mesures sont effectuées conformément à la norme ASTM D5334 avec une reproductibilité de 2% et une précision de 5%. Cet équipement très pratique peut être aussi bien transporté sur le terrain qu’utilisé en laboratoire. Il fonctionne à des températures allant de -40°C à 100°C. Le système utilise une sonde à la fois comme capteur et comme source de chaleur pour les mesures.

 

Réalisation des essais de conductivité thermique de la neige

Le TLS-100 a été utilisé pour mesurer la conductivité thermique de la neige à l’état naturel puis compactée. Tous les essais ont été effectués in situ, à une température extérieure de -4°C.

Conductivité thermique de la neigePour mesurer la neige à l’état naturel, la sonde du TLS-100 a été insérée dans le manteau neigeux à trois endroits différents sur de la neige fraîche. Un essai a été réalisé en chaque point. L’opérateur a déplacé la sonde entre chaque mesure afin d’éviter que la fonte de la neige provoquée par le chauffage de la sonde pendant l’essai n’impacte la mesure suivante. Les trois points de mesure étaient espacés de 15 cm les uns des autres. L’opérateur a attendu 10 minutes entre chaque mesure.

 

Conductivité thermique de la neigeDe la neige a ensuite été prélevée et tassée dans un porte-échantillon cylindrique de façon à obtenir un échantillon de neige uniformément compacté. La sonde du TLS-100 a été insérée dans l’échantillon et les mesures ont été réalisées à deux endroits différents, en suivant le même protocole que celui utilisé pour les échantillons de neige à l’état naturel.

 

 

Résultats des mesures de conductivité thermique de la neige

Les résultats obtenus avec le TLS-100 pour les échantillons de neige à l’état naturel et de neige compactée sont présentés dans le tableau 1 ci-dessous. La conductivité thermique de la neige compactée, 0,432 W/m.K, est beaucoup plus élevée que celle ma neige à l’état naturel, 0.045W/m.K. Ces résultats illustrent la grande influence de la densité sur la conductivité thermique de l’échantillon. Comme avec d’autres matériaux, plus il y a d’air dans l’échantillon, plus la conductivité thermique est faible. Lorsque la neige est compactée et qu’il y a donc moins d’air dans l’échantillon, la conductivité thermique augmente. Cela montre à quelle vitesse la conductivité thermique de la neige peut être radicalement modifiée. L’augmentation de la densité peuvent être due au vent, à la sédimentation et au compactage. Les activités humaines, comme la motoneige, les dameuses et le ski, entraînent de grandes zones de compactage pendant les mois d’hiver. La variation de conductivité thermique qui en résulte modifie également la quantité de chaleur transférée entre l’atmosphère et le sol sous la couche de neige.

Échantillon Température (°C) Conductivité thermique (W/m.K) Écart-type (W/m.K)
Neige à l’état naturel  0.199  3.098  0.322
Neige compactée  0.201  3.076  0.325

 

Tableau 1. Conductivité thermique des sols secs et humides. Les valeurs moyennes affichées sont calculées sur la base des 3 essais pour chaque sol.

Conclusion

Les résultats présentés dans le tableau 1 concordent bien avec les publications sur la conductivité thermique de la neige. Le TLS-100 a mesurée une conductivité thermique moyenne de 0,045 W/m.K pour la neige à l’état naturel. Les scientifiques J.W. Pomeroy et E. Brun (2001) établissent également que la conductivité thermique de la neige à l’état naturel est de 0,045 W/m.K. De leur côté, J. Côté, M. Rahimi et J.-M. Konrad annoncent des conductivités thermiques pour la neige compactée variant de 0,12 W/m.K et 0,54 W/m.K pour les porosités de 0,4 à 0,68 à -12°C. La valeur obtenue avec le TLS-100 (0,432 W/m.K) se situe bien dans cette plage.

Ce travail sur le terrain est un excellent exemple de la polyvalence du TLS-100. C’est un outil puissant qui peut être utilisé en toutes saisons ; sur des projets de recherche sur le sol, la roche et la neige. La précision et la fiabilité des mesures n’ont pas été compromises par la conception portable et pratique, faisant du TLS-100 un choix idéal pour les mesures de conductivité thermique effectuées en dehors du laboratoire.

En savoir plus sur le TLS-100

Pour en savoir plus sur cet analyseur thermique, retrouvez toutes les informations et spécifications de ce produit sur notre page internet dédiée au TLS-100. Vous pourrez également y télécharger une plaquette ou demander un devis.

Découvrir le TLS-100