A la chasse aux flocons de neige

Passionné par les phénomènes météorologiques extrêmes, Josué Gehring étudie l’influence des montagnes sur la formation des flocons de neige et l’intensité des précipitations. Actuellement en troisième année de thèse dans le laboratoire de télédétection environnementale (LTE) de l’EPFL, il nous parle de son parcours et de ses recherches.

Josué Gehring en plein travail

Josué Gehring (au milieu) en plein travail (Image: Christophe Praz, LTE, EPFL)

Pourquoi tu t’intéresses à la neige?

La météorologie me passionne depuis assez longtemps. Enfant, j’aimais déjà la géologie, la géographie ou la physique. Pendant mes études en sciences de l’environnement à l’EPFL je me suis rendu compte que c’était les sciences de l’atmosphère qui m’intéressaient le plus. J’ai donc fait mon master dans ce domaine à l’EPFZ. En météo, ce sont surtout les phénomènes extrêmes qui suscitent ma curiosité, et plus particulièrement ceux liés aux précipitations (orages en été ou grosses chutes de neige en hiver). De plus, ce doctorat me permet de me servir de technologies de mesure qui me fascinent également beaucoup.

Comment les météorologues étudient-ils la neige dans l’atmosphère?
Radar

Le radar du LTE en Antarctique (Image: Josué Gehring, EPFL)

On utilise principalement des radars qui permettent de mesurer les précipitations. Le radar envoie des ondes électromagnétiques et mesure la puissance réfléchie par les particules présentes dans l’atmosphère. Le signal que l’on reçoit en retour est proportionnel à l’intensité des précipitations, il nous informe sur la concentration et la taille de ces particules. On utilise aussi un radar Doppler qui nous dit si les particules se rapprochent ou s’éloignent du radar. Les deux informations combinées nous permettent d’avoir une idée de la distribution de tailles des flocons.

Est-ce que tu peux aussi connaître la forme des flocons?

Oui, comme la plupart des radars modernes sont polarimétriques, ils envoient et reçoivent deux signaux, un horizontal et un vertical, qui sont proportionnels à la dimension horizontale et verticale des particules. En analysant ces deux signaux, on arrive à dire si les particules sont oblongues, comme des smarties, ou si elles sont plutôt orientées verticalement. A propos, les gouttes de pluie n’ont pas la forme d’une larme comme on les imagine mais sont bien oblongues elles aussi. Elles prennent cette forme aplatie à cause des frottements pendant leur chute.

Est-ce ainsi qu’on fait la différence entre la pluie et la neige?
Classification des flocons de neige

Différents stades de croissance des flocons de neige (Image: adaptée de Praz et al. 2017)

Il y a plusieurs choses qui permettent de les distinguer, notamment la vitesse de chute: la pluie tombe environ dix fois plus vite que la neige. Grâce à la combinaison du signal vertical et horizontal, on arrive à différencier entre différents stades de croissance des flocons de neige. En haut des nuages, les flocons ont plutôt des formes oblongues (dendrites, en forme d’étoile). Les étoiles tombent donc à plat et vont grandir dans cette dimension horizontale. Une fois qu’on a de l’agrégation, donc que les flocons se collent les uns aux autres, les flocons vont devenir de moins en moins asymétriques. Plus bas, des gouttelettes d’eau peuvent se solidifier au contact des flocons, formant ce qu'on appelle du givrage. Cela se voit dans les signaux que l’on reçoit, à mesure que les flocons deviennent de plus en plus sphériques, le signal vertical devient presque aussi important que l’horizontal.

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On ne prend pas de mesures directes des flocons?

Oui, il y a d’autres types d’instruments qui prennent des images in situ, pas à distance comme les radars. On a un appareil au sol, le MASC (multi-angle snowflake camera) qui prend des photos des flocons qui tombent dans un espace qui fait 2.5 cm2 environ. A l’intérieur, il y a un détecteur infrarouge qui mesure la vitesse de chute et trois caméras qui prennent des photos avec trois angles différents, ce qui permet de classifier les flocons selon leur forme. C’est une des rares méthodes qui permet d’étudier les flocons sans les perturber, car on les mesure en chute libre sans les toucher.

Un appareil qui permet de prendre plusieurs photos d'un flocon de neige en chute libre

Le MASC (multi-angle snowflake camera) photographie les flocons de neige «en vol». (Image: Josué Gehring, LTE, EPFL)

C’est bien joli mais ça te sert à quoi de classifier les flocons?

Le MASC sert surtout à confirmer des choses que l’on observe avec le radar. Avec les données du radar, on fait une classification d’hydrométéores, c’est-à-dire du type précipitations. Pour chaque volume mesuré par le radar, un algorithme va le classifier selon qu’il contient des gouttelettes d’eau, des cristaux ou des agrégats. Au sol on peut donc confirmer si ce qui tombe est cohérent avec ce que le radar a mesuré.

 

Qu’est-ce que tu vas faire avec les données que tu as récoltées sur le terrain?

Le but ultime c’est de comprendre le rôle joué par les montagnes sur la dynamique et la microphysique des précipitations. J’étudie l’influence de la topographie sur la croissance de tel ou tel type de flocon de neige et comment les turbulences de flux d’air à proximité des sommets conduisent à une intensification des précipitations. Grâce au radar que nous avons installé à Martigny ou au pied des montagnes en Corée du Sud où j’ai aussi mené une campagne de mesures, j’ai pu obtenir des données à l’échelle d’une vallée. Maintenant, j’explore ces données pour les comprendre et décrire les phénomènes. Le résultat de mes analyses servira peut-être plus tard à d’autres scientifiques pour améliorer les modèles météo.

Josué a présenté son travail lors du concours «Ma thèse en 180 secondes» le 7 mars dernier à l’EPFL. Il a remporté le troisième prix qui lui a permis de participer à la finale nationale.

Comment vois-tu la suite pour toi ces prochaines années?

Je suis un peu à un tournant de mon doctorat, les deux premières années j’ai surtout récolté des données et maintenant il faut les analyser et rédiger des articles. Ensuite, il faudra voir les opportunités qui se présenteront mais c’est sûr que j’aimerais rester dans le domaine de la météo. Typiquement, cela m’intéresserait beaucoup de travailler sur des projets à cheval entre la recherche pure et l’opérationnel, comme on en trouve chez MétéoSuisse. J’ai adoré les campagnes de mesure sur le terrain, j’aimerais beaucoup continuer à en faire. Garder un pied dans l’enseignement universitaire me motiverait aussi.


Texte: Rédaction SimplyScience.ch, suite à un entretien avec Josué Gehring.

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