Pourquoi les cheminées de glace sortent-elles du sol ?
― Elles ne tombent pas d'en haut, elles sont poussées par le bas
Par un matin d'hiver, le sol crisse sous les pas à cause de fines colonnes de glace. Elles ne sont pas tombées du ciel. On pense qu'elles se forment quand l'eau du sol remonte par de minuscules interstices et gèle sans cesse juste au-dessus du sol. La glace s'ajoute à l'extrémité inférieure de la colonne. C'est pourquoi elle s'allonge comme poussée par le bas.
Un matin d'hiver bien dégagé, vous marchez au bord d'une cour d'école ou d'un champ, et le sol crisse sous vos pieds.
En vous baissant, vous découvrez de fines colonnes de glace, serrées les unes contre les autres. Hautes de quelques centimètres, blanches, parfois légèrement courbées.
En y regardant de plus près, un petit morceau de terre est posé tout en haut de chaque colonne. Voilà ce qui est étrange.
Deux raisons seulement expliquent les cheminées de glace
Entre les grains de terre se trouvent des interstices bien plus fins qu'un cheveu. L'eau a la propriété de remonter d'elle-même par ces étroits passages.
L'eau qui remonte gèle juste au-dessus du sol, à l'endroit froid. Comme ce point de gel reste fixe, la glace déjà formée est repoussée vers le haut.
Tant que ces deux phénomènes se produisent ensemble, la colonne continue de s'allonger. Si de la terre repose à son sommet, c'est parce que la toute première surface du sol soulevée est transportée telle quelle, comme un toit. Voyons cela dans l'ordre.
Plus le passage est étroit, plus l'eau monte haut
Si l'on plonge l'extrémité d'un tube de verre fin dans l'eau, celle-ci monte toute seule dans le tube. Plus le tube est étroit, plus elle monte haut. C'est un équilibre entre la force qui attire les molécules d'eau entre elles et celle qui les attire vers la paroi du tube. Les interstices entre les grains de terre agissent exactement comme ces tubes fins.
Par un matin d'hiver, cette « eau montante » fournit la matière première de la glace. Quand l'eau de surface gèle et disparaît, de l'eau est aspirée du sol humide en dessous pour combler le manque. Sous la surface, la température dépasse souvent 0°C, donc l'eau n'y est pas encore gelée. Autrement dit, la matière première est fournie sans limite par le bas.
La glace se forme à « l'extrémité inférieure » de la colonne
Regardez la partie droite de la figure 1. Le fait que de la terre repose au sommet de la colonne prouve que la glace ne s'est pas empilée par le haut. Si elle était tombée du ciel, la terre se retrouverait sous la glace.
Voici ce qui se passe réellement. D'abord, l'eau tout en surface du sol gèle et forme une fine couche de glace. Cette glace reçoit l'eau qui remonte du bas et ajoute de la nouvelle glace sous elle-même. Comme le point de gel reste fixé juste au-dessus du sol, la glace déjà formée n'a nulle part où aller et se retrouve poussée vers le haut. Le morceau de terre qui se trouvait à la surface est soulevé en même temps.
Si la colonne forme une ligne bien verticale, c'est parce que le chemin de l'eau qui monte et la direction de la poussée sont tous deux verticaux. On estime qu'elle peut s'allonger de quelques centimètres en une nuit, et jusqu'à près de 10 centimètres si les conditions s'y prêtent.
Ni des interstices trop larges, ni trop étroits ne fonctionnent bien. Le sable a des grains gros et des interstices larges, donc la force qui aspire l'eau vers le haut est faible. À l'inverse, l'argile a des interstices trop fins, où l'eau circule difficilement. On pense que c'est la terre de finesse intermédiaire, comme celle des champs ou le limon volcanique du Kanto, qui s'y prête le mieux.
Quand ce phénomène se produit à grande échelle dans le sol, des blocs de glace forment des couches et soulèvent lentement tout le terrain. On appelle cela le « soulèvement par le gel », et dans les régions froides, il est considéré comme une cause de la déformation ondulée des chaussées. La cheminée de glace en est un petit exemple.
En résumé
Les cheminées de glace ne sont pas de la glace tombée du ciel. L'eau du sol remonte par de minuscules interstices et gèle sans cesse juste au-dessus du sol. Comme cette glace s'ajoute à l'extrémité inférieure de la colonne, la partie déjà formée est poussée vers le haut. La terre posée au sommet de la colonne en est la preuve irréfutable.
Les cheminées de glace ne sont pas de la glace tombée du ciel.
Ce sont des glaces fabriquées par l'eau du sol, qui les pousse par le bas.
Par le même matin d'hiver, les gouttelettes ou la glace sur l'herbe obéissent à un mécanisme totalement différent. Le passage de la vapeur d'eau de l'air à l'eau liquide sur une surface froide est expliqué dans « Pourquoi l'herbe du matin est-elle mouillée alors qu'il n'a pas plu ? », et la raison pour laquelle les cristaux de glace prennent une forme hexagonale dans « Pourquoi les flocons de neige sont-ils hexagonaux ? ». Sur le mystère de la glace qui flotte sur l'eau, voir aussi « Pourquoi la glace flotte-t-elle sur l'eau ? ». Cette même « eau des interstices étroits » qui soulève les cheminées de glace explique aussi comment le sable devient compact quand on le mouille, dans « Pourquoi le sable sec s'effondre-t-il, alors que mouillé il tient en place ? ». À l'inverse des cheminées de glace, le mécanisme de la glace qui s'allonge du haut vers le bas est expliqué dans « Pourquoi les stalactites de glace se forment-elles non pas les jours les plus froids, mais les jours « un peu plus doux » ? ».
- Choisissez un matin qui suit une nuit bien dégagée et peu venteuse, avec une température minimale proche de 0°C. Le moment idéal est avant que le soleil ne tape.
- Cherchez un sol de terre fine, comme un parterre de fleurs ou un champ. On n'en trouve presque jamais près d'un bac à sable ou d'un trottoir asphalté.
- Prélevez délicatement une colonne et vérifiez si un morceau de terre repose à son sommet. Si c'est le cas, c'est la preuve qu'elle a été poussée par le bas.
N'entrez pas dans le jardin ou le champ d'autrui. De plus, le sol devient boueux et glissant une fois les cheminées de glace fondues. Observez en faisant attention où vous mettez les pieds.
Pour aller plus loin ― vocabulaire, formules et liens avec les programmes scolairesDu collège aux matières universitaires spécialisées, le niveau de chaque partie est indiqué
- CollègeCe qu'on apprend en sciences au collège
- LycéeCe qu'on apprend en « physique-chimie » de base au lycée
- Lycée+Contenu approfondi du lycée, ou traité en encadré dans les manuels
- UniversitéNon enseigné au lycée : contenu de matières universitaires spécialisées (génie géotechnique, sciences du froid)
- RecherchePas encore établi comme « fait acquis » même à l'université : sujet actuellement étudié par les chercheurs
CollègeVocabulaire : ce phénomène porte un nom
- Cheminée de glace (shimobashira) : fine colonne de glace qui se dresse depuis le sol. Elle se forme quand l'eau du sol gèle sans cesse près de la surface.
- Capillarité (mōkan genshō) : phénomène par lequel l'eau monte d'elle-même dans un tube ou un interstice étroit.
- Soulèvement par le gel (tōjō) : le fait qu'une couche de glace se forme dans le sol et soulève tout le terrain.
- Glace de ségrégation (bunri-hyō) : couche de glace compacte qui se forme en repoussant les grains de terre. On pense que la cheminée de glace en est une variante apparue en surface.
CollègeLycéeVérification par le calcul : jusqu'où l'eau peut-elle monter dans un interstice étroit ?
Assimilons l'interstice entre les grains de terre à un tube fin de 0,01 millimètre de rayon, et calculons. On utilise seulement l'équilibre entre la tension superficielle de l'eau et son poids.
| Écrite avec des symboles | h = 2 × γ ÷ ( ρ × g × r ) |
| Écrite en mots | Hauteur atteinte = 2 × tension superficielle ÷ (densité de l'eau × intensité de la pesanteur × rayon de l'interstice) |
| D'où vient cette formule | Équilibre entre la tension superficielle qui tire l'eau vers le haut au bord de l'interstice, et le poids de la colonne d'eau soulevée (loi de Jurin, en supposant que l'eau mouille bien la paroi de l'interstice) |
| Tension superficielle de l'eau (vers 0°C) | environ 0,073 newton par mètre |
| Densité de l'eau | environ 1000 kilogrammes par mètre cube |
| Intensité de la pesanteur | environ 9,8 mètres par seconde par seconde |
| Rayon de l'interstice | 0,00001 mètre (0,01 millimètre) |
| Symbole | Signification et unité |
| γ (tension superficielle) | force avec laquelle la surface de l'eau tend à se rétracter [newton par mètre] |
| ρ (densité) | poids par mètre cube [kilogramme] |
| g (intensité de la pesanteur) | augmentation de vitesse par seconde en chute libre [mètre par seconde par seconde] |
| r (rayon de l'interstice) | largeur de l'étroit passage entre les grains de terre [mètre] |
| Terme du côté « soulèvement » | 0,073 × 2 = 0,146 |
| Terme du côté « poids » | 1000 × 9,8 = 9800 |
| En tenant compte de la finesse de l'interstice | 9800 × 0,00001 = 0,098 |
| Hauteur atteinte (en mètres) | 0,146 ÷ 0,098 ≒ 1,49 |
| Conversion en centimètres | 1,49 × 100 = 149 |
Pour un interstice de 0,01 millimètre de rayon, l'eau pourrait donc théoriquement monter jusqu'à 149 centimètres. Comme les cheminées de glace ne font que quelques centimètres, cette force de transport suffit largement. Dans un sol réel, les passages sont sinueux, donc l'eau ne circule pas aussi vite. Il reste néanmoins tout à fait plausible que « l'eau vienne du bas ».
LycéeLycée+Pourquoi la glace croît-elle « par le bas » ?
LycéeQuand l'eau se transforme en glace, elle libère de la chaleur. Cette chaleur s'échappe vers le haut, en direction de l'air froid. Autrement dit, l'endroit où il est le plus facile d'évacuer la chaleur se trouve juste sous la glace déjà formée. C'est pour cela que la croissance de la glace se fixe à cet endroit.
Lycée+Par ailleurs, on pense qu'à la surface des grains de terre subsiste un film d'eau extrêmement fin qui ne gèle pas complètement, même sous 0°C. À travers ce film, l'eau plus profonde est attirée vers la surface de gel. La glace grossit en repoussant les grains de terre, ce qui soulève tout ce qui se trouve au-dessus. Selon les conditions, cette force de poussée peut atteindre l'équivalent de plusieurs kilogrammes par centimètre carré.
UniversitéLe soulèvement par le gel vu par le génie géotechnique
En génie géotechnique, le phénomène par lequel une couche de glace se forme dans le sol et soulève la terre est appelé « soulèvement par le gel » (tōjō), et il est systématiquement pris en compte dans la conception en région froide. L'attraction de l'eau vers le front de gel est appelée « succion de gel », expliquée par une différence de pression dans le fin film d'eau. On considère qu'il se produit fortement quand trois conditions sont réunies : finesse du sol, approvisionnement en eau et rapidité du refroidissement ; à l'inverse, une couche drainante permet de le limiter. La cheminée de glace correspond au cas où ce phénomène apparaît en surface, avec pour seul obstacle à soulever l'air.
📖 Pour la démonstration de la formule et pour aller plus loin : Capillarité (Wikipédia japonais) ／ Soulèvement par le gel (Wikipédia japonais)
RechercheCe qui n'est pas encore clairement établi
- L'épaisseur du fin film d'eau. On pense que l'épaisseur du film d'eau qui subsiste entre la glace et les grains de terre, selon la température, est difficile à mesurer et que les valeurs varient beaucoup.
- La prévision de l'ampleur du soulèvement. Prévoir avec précision, pour chaque type de sol, de combien le terrain va se soulever, reste aujourd'hui difficile.
- Le lien avec le changement climatique. La façon dont l'évolution du froid hivernal et de l'enneigement modifie le gel du sol et le soulèvement par le gel est encore étudiée région par région.
Autrement dit, le contenu de cet article reflète « ce que l'on comprend pour l'instant ». Même la petite colonne de glace sous nos pieds recèle encore des zones de recherche en cours.
Liens avec les programmes scolaires (par niveau)
| Niveau | Matière / unité | Partie correspondante de l'article |
|---|---|---|
| Collège | Sciences・changements d'état／les formes de l'eau | Le passage de l'eau à la glace, la température de congélation |
| Lycée | Physique-chimie de base (tension superficielle, solidification et chaleur) | Le calcul de la montée de l'eau dans un interstice étroit, pourquoi la glace croît par le bas |
| Lycée+ | Approfondissement／encadré (eau interfaciale, pression dans un tube fin) | Le fin film d'eau qui ne gèle pas complètement, la force de poussée |
| Université | Génie géotechnique・sciences du froid (soulèvement par le gel, succion de gel) | La couche de glace, la conception en région froide |
| Recherche | Sciences du froid・génie civil des régions froides (en cours) | L'épaisseur du film d'eau, la prévision de l'ampleur du soulèvement, le lien avec le changement climatique |
| ― | Lien avec la vie quotidienne | La terre des parterres se soulève, le bac à sable ne change pas, la dégradation des routes en hiver |
- Notes explicatives de l'Agence météorologique japonaise (Kishōchō) sur les observations météorologiques (gelée, cheminées de glace, température minimale).
- Documents techniques de l'Institut de recherche en génie civil des régions froides (Kanchi Doboku Kenkyūjo, 寒地土木研究所) et autres, sur le soulèvement par le gel des routes en région froide et les couches destinées à le limiter.
- Chapitres sur la tension superficielle, la capillarité et les changements d'état des manuels de « physique-chimie de base » du lycée.
- Taber, S., « The Mechanics of Frost Heaving », Journal of Geology, 1930. (Étude classique montrant le mécanisme de croissance des couches de glace)
※Cet article est une vulgarisation scientifique à destination du grand public. Les valeurs indiquées sont des repères et des estimations pour comprendre le mécanisme. La facilité de formation des cheminées de glace varie fortement selon le type de sol, l'humidité et la vitesse de refroidissement. Le sol gelé, ou tout juste dégelé, peut devenir glissant. Faites attention où vous mettez les pieds et suivez les consignes de sécurité des collectivités et des établissements.