2.1 Processus liés au gel-dégel – aspects thermiques

L’action du gel superficiel, et en particulier des alternances de cycles de gel et de dégel, joue un rôle déterminant dans la morphogenèse des environnements périglaciaires. D’un point de vue thermique, le gel d’un terrain se traduit par d’importants échanges de chaleur latente.
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Le paysage alpin est fortement influencé par les alternances répétées de gel-dégel (journalières ou saisonnières). De nombreuses formes géomorphologiques sont ainsi caractéristiques des effets du gel superficiel temporaire. Le processus de gel comprend à la fois un aspect thermique et un aspect physique (cf. fiche pergélisol 2.2) important pour les phénomènes d’érosion. 

Le gel se produit lorsque la température s’abaisse sous le point de congélation de l’eau, limite fixée généralement à 0°C. Il existe cependant des exceptions à ce seuil de 0°C selon la pression exercée sur l’eau et la salinité. De l’eau peut rester liquide à -1°C sous un glacier en raison de la pression exercée par la masse de glace. Dans l’océan, une eau de mer dont la salinité est de 35 g/l gèle vers -1.9°C. C’est parce que le sel permet de faire baisser le point de congélation de l’eau, qu’il est appliqué en hiver sur la chaussée pour accélérer la fonte de la glace et du verglas. 

Lors du changement de phase de l’eau liquide en glace (et vice-versa), un important transfert d’énergie sous forme de chaleur latente se produit. D’énormes quantités d’énergie sont ainsi libérées lors du gel et absorbées lors du dégel. Ces processus de transfert de chaleur latente sont bien connus de tous. C’est le principe qui permet de refroidir rapidement une boisson (fig. 1).

Lors de la congélation ou de la fonte du terrain, la température du sol se stabilise pour un certain laps de temps au point de congélation (0°C) : c’est la phase zéro (zero curtain) (fig. 2). En montagne, cette phase est décelable au printemps lors de la fonte du manteau neigeux et parfois en automne lorsque le sol commence à geler. La température du sol ne pourra s’abaisser/s’élever au-dessous du point de congélation qu’une fois toute l’eau transformée en glace (et vice-versa notamment à la fonte des neiges). En l’absence d’humidité dans le sol, il n’y a pas de phase de stabilisation à 0°C. Ce cas de figure est observé par exemple dans un matériau rocheux poreux à l’intérieur duquel les eaux ne peuvent stagner. 

Le gel se propage de la surface vers la profondeur. Le front de gel est la limite mouvante entre le sol en cours de gel et le sol non gelé. La profondeur de pénétration du gel dans le sol est fonction de différents paramètres et variables :

  • De l’enneigement (la neige est un isolant thermique, cf. fiche pergélisol 3.1.4) : une couche de neige entraîne un arrêt de la perte de chaleur par rayonnement infrarouge du sol (stabilisation de la température du sous-sol) (fig. 3).
  • De la durée et de l’intensité de la période froide.
  • De la température du sous-sol.
  • Du contenu en eau du sol (plus le sol est sec, plus le gel pénétrera facilement en profondeur).
  • De la conductivité thermique du sol.

Il est enfin important de relever que le sol proche de la surface peut geler même si la température de l’air demeure positive en raison de la perte de chaleur par rayonnement infrarouge. Un tel cas de figure se présente souvent en automne la nuit par temps clair et la journée dans les zones à l’ombre.