Phases et types de congélation

Dans la congélation d'un lac, on doit considérer trois phases : La phase de début, pendant laquelle les eaux de surface, refroidies à 0>, sont prises par la glace; la phase d'état ou de congélation définitive, dans laquelle la couche de glace solidement établie, résistant à la chaleur diurne, augmente d'épaisseur chaque nuit ; enfin, la phase de dégel, dans laquelle la glace dispai-aît sous l'action de la chaleur. Etudions rapidement ces trois phases.

A. Phase de début, prise du lac.

Par suite du refroidissement automnal et hivernal, les eaux du lac sont descendues au-dessous de 4». Ou bien le lac dans son ensemble, ou bien tout au moins sa région littorale, présentent la stratification inverse; la surface du lac peut descendre à 0«. Si la perte de chaleur

continue, il se forme dans l'eau des cristaux de glace; ces cristaux s'agglomèrent et se soudent, le lac se prend sous une couche de glace. La première congélation a lieu suivant deux types très différents.

Premier type. Congélation continue ou congélation lamellaire, — Si Feau est calme, sur un lac en l'absence de vagues, la surface se prend en une nappe continue, parfois de fort grande étendue. Cette première prise a lieu ordinairement par une nuit sereine où la radiation est puissante, et où la surface de l'eau perd une énorme quantité de chaleur. Quelquefois la congélation se fait en une nuit sur tout un lac; le lac de Morat, le 17 décembre 1879, ne montrait pas trace de glace ; le 18, au matin, une seule nappe glacée, sans solution ni rupture, couvrait toute l'étendue de ce lac de 27>*m«. (i^

Ce type de piise lamellaire se présente seul dans ce que nous appelons les congélations printanières. Ces deux mots jurent ensemble et cependant, je dois les accoupler. C'est au printemps, c'est après une belle journée de beau soleil que pendant la nuit un lac se couvre d'une mince lamelle de glace. Pour- qu'il y ait prise de glace continue, il faut, en effet, deux conditions : que l'eau soit calme, sans cela nous aurions la formation de glaçons-gâteaux; que la perte de chaleur soit violente et rapide, sans cela la conduction disséminerait le froid dans les couches sous-jacentes et les cristaux de glace n'apparaîtraient pas. Or ces deux circonstances sont à la fois représentées dans le premier printemps, alors qu'une nuit sereine succède à une belle journée de grand calme; dans ces nuits sans nuage du printemps, si redoutées par les agriculteurs, alqrs que la vapeur d'eau atmosphérique est à son minimum, la plus grande partie ayant dispai'u dans les condensations successives de l'hiver, alors qu'elle joue mal son rôle d'écran protecteur, la diathermanéité de l'air est extrême et la radiation puissante.. La surface du lac irradie une grande quantité de chaleur vers l'espace et se refroidit rapidement. C'est alors que sur un lac réjoui pendant la journée par les rayons du soleil printanier, l'on voit apparaître la nuit suivante une pellicule de glace de quelques millimètres d'épaisseur, qui foniie d'immenses radeaux de centaines, de milliers de mètres de superficie. Nous trouverons sur le Léman des exemples de ces congélations lamellaires, de t>T)e printanier.

(•) [Loc. cit. p. 373.]

Si, dans la journée qui suit la prise en lamelles déglace de la surface du lac, la chaleur diurne ne suffit pas à fondre la glace, celle-ci augmentera d'épaisseur pai- sa face inférieure dans la nuit suivante, et la congélation définitive du lac sera établie.

Deuxième type, Coagulatioti discrète, formation des glaçons-gâteaux (*). — Si le lac est agité par des vagues, il se foime à sa surface un élément tout spécial de congélation que je désigne sous le nom de glaçon-gâteau {pan cake des Anglais); il est intéressant parce qu'il apparaît aussi sur la mer, si j'ai bien compris les descriptions des voyageurs polaires, et sur les fleuves qui charrient. Il ménterait donc d'être étudié plus attentivement. (-)

Les aiguilles de glace ballottées pai- les vagues s'agglomèrent en pains circulaires de quelques centimètres d'abord de diamètre, qui, s' entrechoquant réciproquement, restent séparés les uns des autres, et se développent chacun pour son compte, sans se souder à ses voisins. Chacun de ces pains se consolide bientôt en une masse de glace et forme un glaçon distinct. Par le heurt avec les glaçons voisins, les boids se brisent dans leurs paities saillantes à l'extérieur, et la forme circulaire se perfectionne. Les aiguilles de glace de nouvelle congélation et la poussière résultant du choc des gâteaux entr'eux, ces débiis de glace nageant dans l'eau ambiante sont portés par les mouvements de l'eau sur les bords du glaçon et s'y établissent en un bourrelet de glace friable, légère, qui surmonte le disque et l'entoure d'une couronne blanche. Le bourrelet, s'élevant en l'air, pèse de tout son poids sur le glaçon flottant dans l'eau, et le fait enfoncer de quelque peu sous l'eau, tellement, qu'une couche liquide de faible épaisseur recouvi-e la face supérieure du radeau. Cette couche d'eau est mise en balancement par les mouvements des vagues, et venant frapper le bord interne du bourrelet, tend à le détruire ou à le repousser à l'extérieur, de telle

0) Voyez Archives de Genève XXV, 352^ 1891. — P.-A. ForeL La formation des glaçons-gâteaux. G. R. Acad. se. Paris.

0 La description provisoire que j'en donne se base sur mes souvenirs du charriage du Main, à Wurzbourg, dans les hivers de 1865 à 1867, et sur mes observations de 1891 à 1894, sur le Léman ; je n'ai malheureusement pas su trouver Voccasion d'aller, depuis que j'ai défini le type des gâteaux, revoir les glaçons d'un fleuve en grand charriage. J'ai vu des gâteaux sur le Léman, dans la rade de Genève, le 20 janvier 1891 ; dans le golfe de Morges en janvier 1891 ; dans le port de Morges, dans les hivers 1891, 18^2, 1893 et 1894.

manière qu*à mesure que le gâteau s'accroît en diamètre, le bourrelet reste toujouis marginal.

Le glaçon-gâteau s'accroît non seulement par sa face inférieure comme le fait la glace lamellaire de notre premier type de congélation, mais par toutes ses faces. Il s'accroît sur ses bords par formation de nouvelles aiguilles qui échappent au bris causé par les chocs avec les glaçons voisins ; il s'accroît sur sa face supérieure pai* congélation de la couche d'eau qui repose sur le glaçon à moitié submergé sous l'eau. Le gâteau s'accroît ainsi en épaisseur et en diamètre sous forme d'une lentille plan convexe, convexe par la face inférieure, plane sur la face supérieure, qui est surmontée par un bourrelet marginal (Fig. 115);

(Fig. ilô.) Glaçon-gâteau. Coupe verticale.

il est constitué par une glace friable, spongieuse, de lamelles superposées, si j'en juge par les échantillons que j'ai pu étudier dans le po)! de Morges, dans les hivers de 1891-94. Il s'accroît en diamètre; j'en ai vu de un mètre et plus de diamètre en dehors du port de Genève le 20 janvier 1891.

Les glaçons-gâteaux continuent à se développer tant que l'eau est agitée et que le froid persiste ; s'il survient un instant de calme, ils se soudent ensemble et la congélation définitive sui^vient.

B. Phase d'état. Congélation établie; congélation définitive.

Une fois la lame continue établie, que ce soit par congélation lamellaire, ou par congélation discrète en gâteaux qui se sont soudés, si le froid persiste, l'épaisseur de la glace s'accroît par apposition de nouvelles couches à la face inférieure de la lame.

L'épaississement, d'abord très rapide, n'augmente plus au bout d'un certain temps qu'avec une extrême lenteur. Il faut une très longue durée de grandes gelées pour amener la couche de glace à dépasser dans nos climats 30 ou 40 centimètres. C'est qu'en effet, pour qu'il y

ait épaississement de la glace^ il faut qu'il y ait dégagement de chaleur dans l'air extérieur, pi'opagation de la chaleur de bas en haut à travers toute Tépaisseui- de la glace. Or, la conduction thermique est relativement lente dans la glace. On en jugera pai* TobseiTation suivante :

Le 26 janvier 1880, j'admirais sur le lac de Zurich recouveit d'une épaisse couche de glace de superbes miiages analogues à ceux de nos mirages d'hiver (voir plus loin). Il devait donc y avoir sti'atiiication thermique inverse de l'air, les couches les plus chaudes étant au contact de la glace. Je le vérifiai par quelques mesures thermométriques qui m'ont donné :

Température de l'air à i .3"^ au-dessus de la surface de

la glace — 10.5"

— de la glace 0.01 au-dessous de la surface — 3.8«

— de l'eau du lac 0.13 — + 0.2«

On surprend dans ces chiffres le réchauffement de l'air par l'eau plus chaude du lac à travers la couche de glace, pai* conséquent la perte de chaleur par l'eau qui se transforme en glace. Le lac, même loi-squ'il est gelé, continue à réchauffei* l'atmosphère. — Dans cette phase de congélation établie outre l'accroissement d'épaisseur de la glace (') je n'ai à signaler, comme phénomène intéressant, que la formation de crevasses dues à la contraction des couches supérieures de la nappe glacée sous l'action du froid, ou à la distension des couches inférieures; la glace doit s'enfoncer pour suivre le niveau du lac qui s'affaisse. Les crevasses qui sont signalées dans la plupart des observations de congélation des lacs mériteraient d'être étudiées méthodiquement; le géologue y trouverait certainement plus d'une analogie intéressante. La formation des crevasses est accompagnée de détonations et de craquements qui intéressent vivement les témoins du phénomène, si j'en juge par les fréquentes citations dans les obser\'ations originales. Grevasses et détonations ne se présentent pas sur notre lac.

0) Ceux que la question occupe trouveront dans mon étude sur la congélation des lacs suisses en 1891 [loc. cit. p. 873] des mesures intéressantes sur l'accroissement d'épaisseur de la glace, entre autres dans les lacs de Morat, d'Alpnach, de Sarnen, de Lungern, de Sempach, de Baldegg, de Hahvyll, de Zoug.

G. Phase de dégel.

La température de l'air s'élevant au-dessus de zéro, la chaleur attaque la glace et la liquéfie par la face supérieure; la lame glacée, ne perdant plus de chaleur par sa face supérieure, est fondue par Teau sousjacente qui est plus chaude que zéro. La chaleur rayonnée par le soleil tiavei-se la glace et réchauffe parfois beaucoup cette eau sous-jacente (i). La glace diminue d'épaisseur, devient humide, se ramollit ; elle se brise en glaçons irréguliei*s, et ceux-ci disparaissent plus ou moins rapidement. Sitôt que quelques flaques d'eau sont devenues libres, l'action du vent qui mélange les couches de l'eau en annulant la stratification inverse amène le réchauffement des couches supérieures du lac, et débarrasse celui-ci de ses glaces avec une promptitude souvent surprenante.

Dans cette phase apparaît un phénomène intéressant : c'est le changement de structure de la glace. La masse, en apparence compacte et continue dans la phase d'état, se divise pendant la phase de dégel en colonnes prismatiques verticales de 1 à S^^ de diamètre. Ces pnsmes irré^liers, à 3, 4, 5 ou 6 pans, semblables dans leur iri'égulaiité à des colonnes de basalte, deviennent visibles Iw^squ'on laisse fondre au soleil un bloc de glace enlevé au lac, et lorsqu'on le brise d'un coup brusque. Cette formation apparaît sur toute vieille glace du lac, suffisamment épaisse ; elle est due probablement à la rétr-action des couches supérieures de la glace sous l'influence du froid qui les pénètre

(*) La diathermanéité de la glace est prouvée par l'expérience suivante : Du 8 janvier ÎS7Î. Soleil brillant, température de l'air + lÂ^. J'ai fixé la boule d'un thermomètre à mercure dans un tube de verre de l'^™ de diamètre, rempli do cire noircie par de la poussière de charbon. Je l'ai refroidi à G*». Puis je l'ai placé au centre d'un trou cylindrique do 2'-'"^ de diamètre, foré au travers d'un bloc de glace de rivière, et obturé aux deux extrémités par un bouchon de neige. Le thermomètre à chemise de cire dans un bain d'air recevait directement les rayons solaires qui lui arrivaient à travers une paroi de glace de 2*^»" environ. Je fis sur le thermomètre les lectures suivantes :

O.Oo

lOh 47™in

A la fin de l'expérience la paroi de glace avait encore un centimètre d'épaisseur. Ainsi donc le thermomètre entouré de toutes parts de glace avait élevé sa température à 16.80 par l'effet de la chaleur solaire ; la diathermanéité de la glace est considérable.

d'autant plus que Tépaisseur de la glace est plus gi-ande, tandis que les couches profondes en contact avec Teau à 0» gardent une température relativement plus élevée.

Une telle division de la glace en piismes verticaux diminue notablement la résistance à la pression de la nappe solide. Dans Thiver de 1891, sur le lac de Zoug, M. Bieler a constaté que la glace, qui en phase de congélation progressive portait déjà Thomme avec une épaisseur de 11''™, était devenue dangereuse lorsqu'en phase de dégel elle avait encore S^-ô**'" (0. Les instructions du ministère de la guerre de France qui disent que la glace de rivière, à une épaisseur* de A'^\ commence à supporter le poids d'un homme, à une épaisseur de 9"^^ porte un détiichement d'infantei'ie, à 12''» porte des pièces d'artillerie de huit, etc., ne s'appliquent qu'à la jeune glace en phase de congélation progressive; il serait dangereux de s'y fier sur de la vieille glace» divisée par le procès que j'indique en prismes verticaux. (*)

Les phases de congélation établie et de dégel ne se développent sui* le Léman que dans ceitains points limités, plus ou moins sépai'és de la gi'ande masse du lac, tels que les lagunes (de Villeneuve ou des Pierrettes), les estuaires (de la Venoge ou de l'Aubonne), les ports lei-més (de Morges ou de Genève), les fonds de golfes, et cela seulement dans les hivers rigoureux. Je n'ai pas d'observations spéciales à citer de ces phénomènes et je me borne, à leur égai*d, à l'envoyer aux faits généraux dc5nt je viens de faire la théoi-ie.

Il en est autrement de la phase de début ou de prise de la glace qui présente sur notre lac plusieurs traits instructifs ou intéressants. Je vais donc déciire ou raconter :

La congélation de la rade de Genève par coagulation discrète, telle qu'elle a été étudiée, entre autres, en 1891.

La congélation lamellaire, congélation printanière du Petit-lac en 1880, 1888 et 1891.

La congélation lamellaire du Haut-lac en 1891.