Combien pèse la neige sur un toit ?
― Avec 1 mètre de neige, l’équivalent de 20 voitures repose sur la maison
Un peu de neige dans la paume ne pèse presque rien. Pourtant, sur tout un toit, une couche de 1 mètre peut peser près de 30 tonnes. Si une neige si légère peut écraser une maison, c’est à cause de deux multiplications : la neige « s’alourdit avec les jours », et le toit est « plus grand qu’on ne croit ».
Vous avez sans doute déjà vu, aux informations dans les régions enneigées, des gens debout sur un toit, en train de pousser la neige à la pelle.
La neige paraît douce et légère. Pourquoi prendre le risque de monter la déblayer ?
En réalité, si on la laisse, dans les vieilles maisons, les portes peuvent ne plus s’ouvrir et la toiture peut s’abîmer. Sur le toit repose un poids que l’apparence ne laisse pas deviner.
Deux raisons seulement expliquent ce poids
La neige fraîche est faite surtout d’air entre les cristaux. Au bout de quelques jours, écrasée par son propre poids, elle devient de 2 à 4 fois plus lourde pour un même volume.
Le toit d’une maison individuelle ordinaire fait souvent autour de 100 mètres carrés. Par mètre carré, la charge est modeste, mais multipliée par la surface, elle atteint des dizaines de tonnes.
Pris un par un, ces deux faits semblent évidents. Mais une fois multipliés, les chiffres s’envolent. Voyons cela pas à pas.
Pour 1 mètre de neige, le poids varie de plus du simple au triple
Un cristal de neige a des branches fines. Dans la neige fraîche, ces branches s’accrochent les unes aux autres et laissent beaucoup de vide. Aussi la neige fraîche ne pèse-t-elle qu’environ un dixième de l’eau, à volume égal.
Mais la neige continue d’évoluer. Les fines branches s’arrondissent peu à peu, écrasées par la neige qui s’accumule au-dessus. Ainsi tassée, la neige atteint environ 30 % du poids de l’eau. Quand elle fond et s’imbibe d’eau, elle peut approcher 50 %.
La figure 1 compare la hauteur d’eau obtenue en faisant fondre une caisse d’un mètre de côté pleine de neige. La caisse a le même aspect, mais son contenu pèse très différemment.
De plus, quand il pleut sur la neige, la pluie ne ruisselle presque pas : elle s’infiltre. Rien que 10 millimètres de pluie ajoutent environ 1 tonne sur l’ensemble du toit. Voilà pourquoi les toits sont plus menacés au début du printemps ou lors des journées douces d’hiver.
Multiplié par la surface du toit, cela fait des dizaines de tonnes
Passons à la surface. Sur 1 mètre carré, 1 mètre de neige tassée pèse environ 300 kilogrammes, comme la figure 1 l’indique. C’est le poids de quatre adultes : on peut encore se l’imaginer.
Mais un toit, vu du dessus, fait autour de 100 mètres carrés. Multipliez 300 kilogrammes par 100 : vous obtenez 30 tonnes. Avec 1,5 tonne par voiture, cela fait 20 voitures. Avec le curseur de la figure 2, faites varier l’épaisseur de neige et voyez comment le poids augmente.
Les maisons sont construites pour supporter ce poids. Dans les régions très enneigées, on prévoit de fortes chutes de neige et on épaissit les poteaux et les poutres. Pourtant, les années où il neige plus que prévu, ou dans les vieilles maisons abîmées, le danger apparaît.
Quand on conçoit une maison, on doit prévoir le poids de la neige en chiffres. Dans les régions ordinaires, on compte environ 2 kilogrammes par mètre carré pour chaque centimètre de neige. Dans les régions très enneigées, on compte plus. Autrement dit, même chez les concepteurs, la neige est traitée comme pesant « 20 à 30 % de l’eau ».
Alors, que faire ?
- Ne déneigez jamais le toit seulSoyez toujours au moins deux, pour pouvoir appeler à l’aide en cas de chute. Utilisez une corde de sécurité et un casque.
- Soyez attentif aux « signaux » de la maisonDes portes ou des cloisons coulissantes soudain difficiles à ouvrir, ou des poteaux qui craquent, signalent que la neige est trop lourde.
- Ne marchez pas sous le bord du toitLes jours doux ou pluvieux, la neige du toit tombe en bloc. Près d’une tonne de neige peut tomber d’un coup.
La plupart des personnes blessées ou tuées par la neige le sont pendant le déneigement : chutes du toit ou ensevelissement sous la neige tombée. Avant de monter, fixez l’échelle, et rappelez-vous que la neige glisse facilement les jours doux et ensoleillés. Si quelqu’un est enseveli, appelez aussitôt les secours (le 119 au Japon) et alertez les personnes autour. Si vous vous inquiétez pour la maison d’un proche âgé, vous pouvez aussi demander l’aide du service de déneigement de votre commune.
En résumé
Un flocon est léger, mais avec les jours la neige se tasse et s’alourdit, et multipliée par la surface du toit, elle pèse des dizaines de tonnes. Sur un toit chargé de 1 mètre de neige tassée, il peut y avoir l’équivalent d’environ 20 voitures.
Même légère, la neige devient lourde avec le temps et la surface.
Sur le toit, il y a un « parking de voitures » invisible.
Pourquoi la neige d’une pente se met-elle soudain à glisser ? Réponse dans « Pourquoi les avalanches se déclenchent-elles soudain sur des pentes paisibles ? ». L’air emprisonné dans la neige a un autre rôle, expliqué dans « Pourquoi, sous la neige, la température reste-t-elle à 0 °C alors qu’il fait −20 °C dehors ? ». Et le poids d’un nuage, lui, est calculé dans « Combien pèse un nuage ? ».
- Remplissez un verre de neige fraîche jusqu’au bord, sans la tasser, de façon bien aérée.
- Laissez-le fondre dans une pièce chauffée, puis regardez à quelle fraction de la hauteur du verre l’eau arrive.
- Faites la même chose avec de la neige vieille de plusieurs jours, ou tassée à la main, et comparez les hauteurs d’eau.
Avec de la neige fraîche, l’eau ne devrait monter qu’à environ un dixième de la hauteur. Plus la neige est ancienne, plus il reste d’eau. Avec une balance de cuisine, vous pouvez aussi comparer les poids.
Pour aller plus loin ― termes, formules et liens avec les manuelsDu collège à l’université : le niveau de chaque passage est indiqué
- CollègeAu programme de sciences du collège japonais
- LycéeAu programme de « physique de base » et de « physique » du lycée
- Lycée+Approfondissement du lycée, ou encadré de manuel
- UniversitéHors programme du lycée : matières universitaires (glaciologie et nivologie, mécanique des structures)
- RecherchePas encore enseigné comme acquis, même à l’université : sujets que les chercheurs étudient en ce moment
CollègeVocabulaire : ce phénomène a un nom
- Masse volumique : masse par mètre cube. Les différences de poids de la neige viennent de ces différences de masse volumique.
- Charge de neige : poids de la neige qui s’exerce sur un toit ou un bâtiment. C’est la valeur prévue lors de la conception d’une maison.
- Neige tassée : neige écrasée sous son propre poids, dont les cristaux arrondis se sont soudés. Sa masse volumique est supérieure à celle de la neige fraîche.
CollègeLycéeVérifier par la formule : le poids de la neige sur le toit
Considérons la neige du toit comme une plaque d’épaisseur uniforme. Sa masse vaut « masse volumique × volume », et le volume vaut « épaisseur × surface ».
| En symboles | M ＝ ρ × h × A F ＝ M × g |
| En mots | Masse de la neige ＝ masse volumique de la neige × épaisseur de neige × surface du toit. Force sur le toit ＝ masse × accélération de la pesanteur |
| D’où vient cette formule ? | Elle combine la définition de la masse volumique (masse ＝ masse volumique × volume) et la formule du poids (poids ＝ masse × accélération de la pesanteur) |
| M | Masse de la neige sur le toit (kilogrammes) |
| ρ | Masse volumique de la neige (kilogrammes par mètre cube) |
| h | Épaisseur de neige (mètres) |
| A | Surface du toit vue de dessus (mètres carrés) |
| F, g | Force sur le toit (newtons), accélération de la pesanteur (9,8 mètres par seconde carrée) |
| Masse volumique de la neige tassée ρ | Environ 300 kilogrammes par mètre cube |
| Masse volumique de la neige fraîche | Environ 100 kilogrammes par mètre cube |
| Épaisseur de neige h | 1 mètre |
| Surface du toit A | 100 mètres carrés (ordre de grandeur d’une maison individuelle) |
| Masse d’une voiture | Environ 1500 kilogrammes |
| Volume de neige h × A | 1 × 100 ＝ 100 mètres cubes |
| Masse de la neige tassée M | 300 × 100 ＝ 30000 kilogrammes |
| Masse de la neige fraîche | 100 × 100 ＝ 10000 kilogrammes |
| Force sur le toit F | 30000 × 9,8 ＝ 294000 newtons |
| En voitures | 30000 ÷ 1500 ＝ 20 voitures |
| Masse de 10 millimètres (0,01 mètre) de pluie (masse volumique de l’eau : 1000) | 1000 × 0,01 ＝ 10 kilogrammes (par mètre carré) |
| Masse ajoutée par 10 millimètres de pluie sur tout le toit | 10 × 100 ＝ 1000 kilogrammes |
Un mètre de neige tassée pèse environ 30 tonnes, soit 20 voitures. À épaisseur égale, la neige fraîche ne pèse qu’environ 10 tonnes : rien que l’« âge » de la neige fait varier le poids d’un facteur 3. Et si 10 millimètres de pluie s’infiltrent, le toit gagne 1 tonne en plus.
LycéeLycée+L’inclinaison du toit et pourquoi la neige ne « glisse » pas
LycéeLe poids de la neige sur un toit incliné se décompose en une composante perpendiculaire au toit et une composante le long du toit. Tant que la composante le long du toit reste inférieure à la force de frottement statique entre la neige et le toit, la neige ne glisse pas et continue d’appuyer sur le toit.
Lycée+Si l’on a pris, dans le calcul ci-dessus, la « surface vue de dessus », c’est que la neige tombe à la verticale. Même si le toit est incliné, la quantité de neige reçue dépend de la surface projetée à l’horizontale. C’est pourquoi on exprime la charge de neige par unité de surface horizontale projetée.
UniversitéComment la neige se tasse (compaction et frittage)
Le tassement progressif de la neige est appelé « compaction » en glaciologie et nivologie. Sous le poids de la neige qui la recouvre, la neige se contracte lentement, comme une matière visqueuse. Cette facilité à se comprimer s’exprime par la « viscosité de compaction » : la neige se comprime d’autant plus facilement que la température est élevée et que la masse volumique est faible. En même temps, aux points de contact des grains de glace, des molécules migrent et forment des « cous » qui les relient. C’est le « frittage », qui rend la neige tassée plus dure. En construction, on détermine la charge de neige à partir de l’épaisseur maximale de neige et de la masse volumique prévues pour chaque région, et l’on tient compte d’une réduction selon la pente du toit.
📖 Dérivation des formules et pour aller plus loin : Neige au sol (Wikipédia en japonais) ／ Déneigement des toits (Wikipédia en japonais)
RechercheCe que l’on ne sait pas encore bien
- Prévoir le poids d’une neige imbibée de pluie Jusqu’où la pluie pénètre dans la neige et combien elle y reste dépend beaucoup de la superposition des couches. Estimer avec précision le poids de la neige d’un toit à partir des prévisions météo reste, dit-on, en cours d’amélioration.
- La « neige lourde » des hivers doux Quand l’hiver est plutôt chaud, il peut tomber d’un coup une neige lourde, riche en eau. Selon certains, avec le réchauffement climatique, la quantité de neige diminuerait mais les fortes chutes de neige lourde pourraient au contraire augmenter ; cela fait l’objet d’études.
- Le moment où la neige du toit se met à glisser Quand et en quelle quantité la neige tombe d’un toit dépend du matériau de couverture et du mince film d’eau entre la neige et le toit. Des recherches sont menées pour prévoir ces chutes de neige.
Le contenu de cet article n’est donc, lui aussi, qu’une « explication dans l’état actuel des connaissances ». La masse volumique de la neige varie beaucoup selon la façon dont elle tombe et son âge : prenez ces chiffres comme des ordres de grandeur.
Liens avec les manuels (par niveau)
| Niveau | Matière et chapitre | Où dans l’article |
|---|---|---|
| Collège | 1re année, sciences : « Les états de la matière (masse volumique) » | Différence de poids entre neige fraîche et neige tassée |
| Lycée | Physique de base : « Équilibre des forces et frottement » | Formule du poids, pourquoi la neige reste en place sur le toit |
| Lycée+ | Approfondissement de physique de base (décomposition des forces) | La quantité de neige dépend de la surface projetée à l’horizontale |
| Université | Glaciologie et nivologie, mécanique des structures | Compaction, frittage, estimation de la charge de neige |
| Recherche | Recherche sur la prévention des risques liés à la neige et à la glace | Infiltration de pluie, chutes de neige lourde, prévision des chutes de neige de toit |
| ― | Lien avec la vie quotidienne | Décider de déneiger, éviter le dessous des toits, signaux d’alerte de la maison |
- National Research Institute for Earth Science and Disaster Resilience (防災科学技術研究所) — observations et recherches sur la neige par son centre de recherche sur les risques liés à la neige et à la glace
- Neige au sol (積雪), Wikipédia en japonais
- Déneigement des toits (雪下ろし), Wikipédia en japonais
- Décret d’application de la loi sur les normes de construction (建築基準法施行令), article 86 (charge de neige)
- Société japonaise de glaciologie et nivologie (日本雪氷学会), dir., « Nouveau dictionnaire de la neige et de la glace » (『新版 雪氷辞典』), éd. Kokon Shoin (古今書院)
※ Cet article est une vulgarisation scientifique destinée au grand public. Les valeurs indiquées sont des ordres de grandeur et des estimations pour comprendre le mécanisme. Pour le déneigement des toits, suivez les consignes et les avertissements de votre commune, des pompiers et des autorités, ne forcez pas et placez la sécurité avant tout.