Effet de la température sur le tassement mécanique de la neige.

4-6 mois à partir de février 2025.

Contexte du stage :
La neige est un matériau poreux présentant une large gamme de masse volumique, de 50 kg/m3 pour la neige récente à 917 kg/m3 pour la glace pure et existant sur Terre à des températures proches de son point de fusion. En conséquence, c’est un matériau évolutif caractérisé par un métamorphisme très rapide dont un tassement marqué au cours du temps. Ces évolutions sont gouvernées par les déformations visco-plastiques de la matrice de glace sous son propre poids et des couches qui la recouvrent ainsi que par des transferts de masse dans la microstructure par sublimation, flux de vapeur et condensation solide. Ces processus couplés ont lieu de manière permanente dans la neige sèche et déterminent complètement l’évolution de sa microstructure caractérisée au premier ordre par sa masse volumique. Or, le tassement de la neige est aujourd’hui modélisé par des relations empiriques reliant l’évolution de la masse volumique à une viscosité apparente (Mellor et al., 1964  ; Vionnet et al., 2012). Cette paramétrisation englobe plusieurs processus aux origines physiques différentes. Ainsi, elle ne peut donc pas être extrapolée au continuum des types de neige et à des conditions générales de surcharge et de température, entraînant alors des sources d’incertitude importante sur la simulation de la hauteur de neige.

Lors de campagnes expérimentales d’essais de fluage couvrant une grande plage de conditions de température et de densité (Scappoza & Bartelt, 2003), différents régimes de déformation ont été observés. Depuis le développement de la tomographie en science des matériaux et avec les travaux pionniers de Brzoska et al. (1999) sur la tomographie de la neige, il est possible de relier les observations expérimentales, à la microstructure géométrique et aux propriétés physiques de la glace (Theile et al., 2011 ; Calonne et al., 2012). Ainsi, en simulant le comportement visco-plastique de la matrice de glace, Védrine et al., 2024 a montré que la nature cristalline de la neige doit être prise en compte et que les mécanismes de déformation de la neige diffèrent de ceux observés dans la glace polycristalline. Récemment, Sundu et al., 2023 a identifié, à température constante, une transition entre les régimes de déformation intra-cristallin et inter-cristallin (glissement au joint de grains) en fonction du rayon optique des grains.

Objectifs :
L’objectif de ce stage consiste à analyser l’influence de la température sur le comportement viscoplastique de la neige, tout en établissant des liens entre ce comportement et celui de la glace. L’idée principale est de réaliser des essais in-situ de fluage, à contraintes imposées et à conditions de température contrôlées en chambre froide. La microstructure 3D de neige sera suivie, lors de l’essai, par tomographie X. À cette fin, le stage sera organisé autour (i) de l’acquisition de données expérimentales spécifiques dans le laboratoire froid, (ii) de l’analyse des résultats et l’identification des mécanismes de déformation viscoplastique, et (iii) de la formulation d’un modèle thermomécanique qui sera inclus dans le modèle de neige IVORI. Ainsi, le candidat sélectionné rejoindra l’environnement de travail collaboratif de l’équipe ERC IVORI.

Pour postuler :
Master en géoscience, géomécanique ou mécanique des matériaux. Compétences en programmation (python).

Sélection bibliographique :

• Mellor, M. (1964). Snow and Ice on the Earth’s Surface (Vol. 2). US Army Materiel Command, Cold Regions Research & Engineering Laboratory.
• Vionnet, V., Brun, E., Morin, S., Boone, A., Faroux, S., Le Moigne, P., ... & Willemet, J. M. (2012). The detailed snowpack scheme Crocus and its implementation in SURFEX v7. 2. Geoscientific model development, 5(3), 773-791.
• Scapozza, C., & Bartelt, P. (2003). Triaxial tests on snow at low strain rate. Part II. Constitutive behaviour. Journal of Glaciology, 49(164), 91-101.
• Brzoska, J.-B., Coléou, C., Lesaffre, B., Borel, S., Brissaud, O., Lüdwig, W., Boller, E., Baruchel, J., 1999. 3D visualization of snow samples by microtomography at low temperature. ESRF Newsletter 32, 112.
• Calonne, N., Geindreau, C., Flin, F., Morin, S., Lesaffre, B., Rolland du Roscoat, S., Charrier, P., 2012. 3-D image-based numerical computations of snow permeability : links to specific surface area, density, and microstructural anisotropy. The Cryosphere, 6, 939–951.
• Theile, T.C., Löwe, H., Schneebeli, M., 2011. Simulating creep of snow based on microstructure and the anisotropic deformation of ice. Acta Materialia 59, 7104–7113.
• Védrine, L., Hagenmuller, P., Gélébart, L., Montagnat, M., & Bernard, A. (2024). Role of ice mechanics on snow viscoplasticity. Geophysical Research Letters, 51(7), e2023GL107676.
• Sundu, K., Freitag, J., Fourteau, K., & Löwe, H. (2023). A microstructure-based parameterization of the effective, anisotropic elasticity tensor of snow, firn, and bubbly ice. EGUsphere, 2023, 1-27.