Estimating surface water availability in high mountain rock slopes using a numerical energy balance model

Water takes part in most physical processes that shape the mountainous periglacial landscapes and initiation of mass wasting. An observed increase in rockfall activity in several mountainous regions was previously linked to permafrost degradation in high mountains, and water that infiltrates into rock fractures is one of the likely drivers of these processes. However, there is very little knowledge on the quantity and timing of water availability for infiltration in steep rock slopes. This knowledge gap originates from the complex meteorological, hydrological and thermal processes that control snowmelt, and also the challenging access and data acquisition in the extreme alpine environments. Here we use field measurement and numerical modeling to simulate the energy balance and hydrological fluxes in a steep high elevation permafrost affected rock slope at Aiguille du Midi (3842 m a.s.l), in the Mont-Blanc massif. Our results provide new information about water balance at the surface of steep rock slopes. Model results suggest that only ~25 % of the snowfall accumulates in our study site, the remaining ~75 % are redistributed by wind and gravity. Snow accumulation depth is inversely correlated with surface slopes between 40&deg; to 70&deg;. Snowmelt occurs between spring and late summer and most of it does not reach the rock surface due to the formation of an impermeable ice layer at the base of the snowpack. The annual effective snowmelt, that is available for infiltration, is highly variable and ranges over a factor of six with values between 0.05&ndash;0.28 m in the years 1959&ndash;2021. The onset of the effective snowmelt occurs between May and August, and ends before October. It precedes the first rainfall by one month on average. Sublimation is the main process of snowpack mass loss in our study site. Model simulations at varying elevations show that effective snowmelt is the main source of water for infiltration above 3600 m a.s.l.; below, direct rainfall is the dominant source. The change from snowmelt-dominated to rainfall-dominated water availability is nonlinear and characterized by a rapid increase in water availability for infiltration. We suggest that this elevation of water availability transition is highly sensitive to climate change, if snowmelt-dominated permafrost-affected slopes experience an abrupt increase in water input that can initiate rock slope failure.</p

Du blanc au dessus du vide. Monitoring multi-paramètres de la formation et de l'évolution d'un pont de neige au-dessus d'une crevasse sur un glacier alpin

On glaciers, snow bridges that form above crevasses allow mountaineers and skiers to cross them easily, but their break represents a high risk of potentially fatal falls for practitioners. To understand the formation and evolution of these fragile structures, we sat up instrumentation at 3450 m a. s. l. in the Mont Blanc massif. The device, whose installation required complex logistics, surveys the main meteorological parameters several times a day. Moreover, the geometry of the snow bridge is surveyed by an automatic camera while an extensometer measures the evolution of the opening of the crevasse. Although the ensemble is well suited to the conditions of the high mountain environment, its maintenance is delicate due to the strong instability of the environment (movements of the glacier, extreme weather conditions) while processes unexpected as important (wind filling of the crevasse) are challenging a part of the planned instrumentation (e. g. automatic photo inside the crevasse).Sur les glaciers, les ponts de neige qui se forment au-dessus des crevasses permettent aux alpinistes et aux skieurs de les traverser facilement mais leur rupture éventuelle fait supporter un risque élevé de chute potentiellement mortelle aux pratiquants. Pour comprendre la formation et l’évolution de ces structures fragiles, une instrumentation a été mise en place à 3450 m d’altitude dans le massif du Mont Blanc. Le dispositif, dont l’installation a requis une logistique complexe, relève plusieurs fois par jour les principaux paramètres nivo-météorologiques. Par ailleurs, un appareil photo automatique suit la géométrie du pont de neige tandis qu’un extensomètre mesure l’évolution de l’ouverture de la crevasse. Si l’ensemble apparait bien adapté aux conditions de la haute montagne, sa maintenance est toutefois rendue délicate par la forte instabilité du milieu (mouvements du glacier, conditions météorologiques extrêmes) tandis que des processus non pressentis comme importants (remplissage éolien de la crevasse) remettent en question une partie de l’instrumentation prévue (photo automatique à l’intérieure de la crevasse).Ravanel Ludovic, Malet Emmanuel, Batoux Philippe. Du blanc au-dessus du vide. Monitoring multi-paramètres de la formation et de l’évolution d’un pont de neige au-dessus d’une crevasse sur un glacier alpin. In: Collection EDYTEM. Cahiers de géographie, numéro 19, 2017. Monitoring en milieux naturels. Retours d’expériences en terrains difficiles. pp. 69-75

The first year of borehole measurements in the rock permafrost at Aiguille du Midi (3842 m a.s.l., Mont Blanc massif)

Poste

Snow control on active layer and permafrost in steep alpine rock walls (Aiguille du Midi, 3842 m a.s.l, Mont Blanc massif).

International audienceProcesses that control climate-dependent rockfall from permafrost-affected rock slopes are still poorly understood.In this study, we present the results of a Wireless Sensor Network, integrated within the Swiss project PermaSenseand developed in 2012, to measure rock temperature and geotechnical parameters in the steep rockwalls of theAiguille du Midi (AdM, 3842 m a.s.l., Mont Blanc massif, France). Accessible year round by cable car, the AdMcomprises two main peaks: (i) the Piton Nord with the cable car arrival station, where 4 crack-meters are placed onfour major fractures, and (ii) the Piton Central with many touristic infrastructure, equipped with three 10-m-deepboreholes with 15 temperatures sensors since 2009, and where 2 crack-meters are installed along a major fracture.Three major kinematic regimes are observed: (i) opening of clefts when the rock temperature becomes positive,followed by closing during the cold period, (ii) summer opening continued by a winter opening, and (iii) closingduring the warm period followed by opening in winter

Snow control on active layer thickness in steep alpine rock walls (Aiguille du Midi, 3842ma.s.l., Mont Blanc massif).

International audienceSince the early 2000s, a remarkable amount of rockfalls has been observed in permafrost areas of the mid-latitude mountain ranges concurrently to hot summers. This study explores the seasonal thaw (ST) in permafrost rock walls of the Aiguille du Midi site (3842 m a.s.l., Mont Blanc massif). We first analyse six years of temperature records in three 10 m-deep boreholes against air temperature (AT) and a four-year time series of pictures showing the snow conditions on two rock faces. Then, we test the sensitivity of the active layer against eight snow fall scenarios using the 1-D surface energy balance and heat conduction model CryoGrid 3 forced by in-situ measurements from a vertical face. Snow falls occur all the year round at this elevation and play an important role for the active layer thickness (ALT), but the snow cover and its control are highly heterogeneous. A long-lasting of a snow cover during spring/early summer delays the ST and reduces the ALT. The thicker and the more spatially-continuous is the snow cover, the stronger are the delay and ALT reduction. Convective clouds could also reinforce this pattern. The summer AT and heat waves are the dominant controlling factors of the ALT. But summer snow falls can sometimes persist for several days on the rock surface and reduce the effect of the heat waves. Active layer can thicken during the early fall, except if the snow starts to accumulate on the rock surface and favours the refreezing. The timing of the snow fall is the most critical parameter to determine the snow effect on the ALT. This study suggests that the characteristics of the bedrock and snow accumulation (steepness, surface roughness, and sun-exposure) must be taken into account to better understand the formation and changes of the active layer and its possible implications for rockfall triggering

Snow control on active layer thickness in steep alpine rock walls (Aiguille du Midi, 3842ma.s.l., Mont Blanc massif).

International audienceSince the early 2000s, a remarkable amount of rockfalls has been observed in permafrost areas of the mid-latitude mountain ranges concurrently to hot summers. This study explores the seasonal thaw (ST) in permafrost rock walls of the Aiguille du Midi site (3842 m a.s.l., Mont Blanc massif). We first analyse six years of temperature records in three 10 m-deep boreholes against air temperature (AT) and a four-year time series of pictures showing the snow conditions on two rock faces. Then, we test the sensitivity of the active layer against eight snow fall scenarios using the 1-D surface energy balance and heat conduction model CryoGrid 3 forced by in-situ measurements from a vertical face. Snow falls occur all the year round at this elevation and play an important role for the active layer thickness (ALT), but the snow cover and its control are highly heterogeneous. A long-lasting of a snow cover during spring/early summer delays the ST and reduces the ALT. The thicker and the more spatially-continuous is the snow cover, the stronger are the delay and ALT reduction. Convective clouds could also reinforce this pattern. The summer AT and heat waves are the dominant controlling factors of the ALT. But summer snow falls can sometimes persist for several days on the rock surface and reduce the effect of the heat waves. Active layer can thicken during the early fall, except if the snow starts to accumulate on the rock surface and favours the refreezing. The timing of the snow fall is the most critical parameter to determine the snow effect on the ALT. This study suggests that the characteristics of the bedrock and snow accumulation (steepness, surface roughness, and sun-exposure) must be taken into account to better understand the formation and changes of the active layer and its possible implications for rockfall triggering

Determination of warm, sensitive permafrost areas in near-vertical rockwalls and evaluation of distributed models by electrical resistivity tomography.

Alpine rockwalls with warm permafrost (near 0°C) are the most active rockfall detachment zones in the Mont Blanc massif (MBM, French Alps) with more than 380 recent events. Near-vertical rockwall permafrost is spatially controlled by variations in rock fractures, snow cover and micro-topography. A reliable method to validate the distribution of permafrost in critical and unstable areas does not yet exist. We present seven Electrical Resistivity Tomography (ERT) surveys measured on five near-vertical rockwalls in the MBM from 2012 and 2013 that have been calibrated with measurements on a granite sample in the laboratory. ERT shows consistent measurements of remaining sensitive permafrost relating to inferred temperatures from 0 to −1.5°C. ERT results demonstrate evidence of topographic controls on permafrost distribution and resistivity gradients that appear to reflect crest width. ERT results are compared to two permafrost index maps that use topoclimatic factors and combine effects of thin snow and fractures, where index model spatial resolution is crucial for the validation with ERT. In cryospheric environments, index maps seem to overestimate permafrost conditions in glacial environments. As a consequence, the sensitive areas of permafrost may slightly deviate from the results from distributed models that are only constrained by topoclimatic factors and interpreted with consideration of local fracture and snow conditions. This study demonstrates (i) that the sensitive and hazardous areas of permafrost in near-vertical rock faces can be assessed and monitored by the means of temperature-calibrated ERT and (ii) that ERT can be used for distributed model validation

Combinaison des approches analytiques in situ et en laboratoire : vers une compréhension des peintures schématiques néolithiques

International audienceLes peintures rupestres de plein air présentent de véritables défis scientifiques en termes d'accès à la matière picturale dans le but de renseigner les pratiques des sociétés qui les ont produites.Souvent soumises aux contraintes climatiques, biologiques et humaines, certaines de ces peintures ont subsisté dans des abris sous roche. C'est notamment le cas de l'expression schématique néolithique. Le site à peintures du Trou de la Féclaz (Saint Jean d'Arvey, Savoie) appartient à ce corpus graphique documenté de la péninsule ibérique jusqu'au Piémont italien.Dans le cas des peintures schématiques du site du Trou de la Féclaz, la morphologie et la localisation de l'abri sur une vire rocheuse ont certainement participé à la conserva- tion de l'iconographie. L'expression graphique du Trou de la Féclaz se caractérise par la polychromie des figures majoritairement réalisées à la pulpe du doigt. Il est possible de distinguer des pigments de couleur rouge sombre, rouge clair, orange, noir et jaune. La paroi étant déjà altérée et fragilisée par les processus érosifs, il est nécessaire de prendre toutes les précautions pour accéder à la matière picturale et d'envisager des méthodes non ou peu invasives.Cependant les méthodes analytiques dites in situ ne permettent de sonder que la surface de la matière. Dans le cas du Trou de la Féclaz, la présence d'un fin voile de gypse réduit très fortement la capacité de réponse de ces méthodes. Il est nécessaire de chercher à distinguer le signal provenant des phases d'encroûtement, de celui du substrat et de ce- lui du pigment. Des aller-retours entre l'analyse en laboratoire de micro-prélèvements et l'analyse in situ sont donc encore indispensables pour comprendre l'évolution de la paroi, accéder à la matière picturale et la caractériser précisément.En complément des premiers résultats obtenus sur les micro-prélèvements observés à différentes échelles (microscopie optique, microscopie électronique à balayage), nous avons pu réaliser une campagne de mesure de spectroscopie Raman in situ ainsi que des tests de spectroscopie de réflectance diffuse dans le visible et le proche infra-rouge. La difficulté d'accès au pigment, en raison de reprécipitations de sulfate et de carbonate de calcium, oblige à multiplier les croisements d'échelles du macroscopique au submicro- nique, et les modes d'observation (optique, électronique, différentes longueurs d'onde). Enfin, il est important de questionner la représentativité de ces analyses à l'échelle de la figure mais également entre les figures à l'échelle de la paroi

Combinaison des approches analytiques in situ et en laboratoire : vers une compréhension des peintures schématiques néolithiques

International audienceLes peintures rupestres de plein air présentent de véritables défis scientifiques en termes d'accès à la matière picturale dans le but de renseigner les pratiques des sociétés qui les ont produites.Souvent soumises aux contraintes climatiques, biologiques et humaines, certaines de ces peintures ont subsisté dans des abris sous roche. C'est notamment le cas de l'expression schématique néolithique. Le site à peintures du Trou de la Féclaz (Saint Jean d'Arvey, Savoie) appartient à ce corpus graphique documenté de la péninsule ibérique jusqu'au Piémont italien.Dans le cas des peintures schématiques du site du Trou de la Féclaz, la morphologie et la localisation de l'abri sur une vire rocheuse ont certainement participé à la conserva- tion de l'iconographie. L'expression graphique du Trou de la Féclaz se caractérise par la polychromie des figures majoritairement réalisées à la pulpe du doigt. Il est possible de distinguer des pigments de couleur rouge sombre, rouge clair, orange, noir et jaune. La paroi étant déjà altérée et fragilisée par les processus érosifs, il est nécessaire de prendre toutes les précautions pour accéder à la matière picturale et d'envisager des méthodes non ou peu invasives.Cependant les méthodes analytiques dites in situ ne permettent de sonder que la surface de la matière. Dans le cas du Trou de la Féclaz, la présence d'un fin voile de gypse réduit très fortement la capacité de réponse de ces méthodes. Il est nécessaire de chercher à distinguer le signal provenant des phases d'encroûtement, de celui du substrat et de ce- lui du pigment. Des aller-retours entre l'analyse en laboratoire de micro-prélèvements et l'analyse in situ sont donc encore indispensables pour comprendre l'évolution de la paroi, accéder à la matière picturale et la caractériser précisément.En complément des premiers résultats obtenus sur les micro-prélèvements observés à différentes échelles (microscopie optique, microscopie électronique à balayage), nous avons pu réaliser une campagne de mesure de spectroscopie Raman in situ ainsi que des tests de spectroscopie de réflectance diffuse dans le visible et le proche infra-rouge. La difficulté d'accès au pigment, en raison de reprécipitations de sulfate et de carbonate de calcium, oblige à multiplier les croisements d'échelles du macroscopique au submicro- nique, et les modes d'observation (optique, électronique, différentes longueurs d'onde). Enfin, il est important de questionner la représentativité de ces analyses à l'échelle de la figure mais également entre les figures à l'échelle de la paroi

Permafrost evolution in the French Alps: Main results of the PermaFrance network

International audienc