L'analyse de l'état de la surface de la chaussée effectuée par la station RWS200 s'appuie sur la connaissance de divers processus atmosphériques et physiques ayant un impact sur les frottements au niveau de la surface de la chaussée. La pluie, le verglas et la neige sont les principales causes de variations des frottements à la surface de la chaussée. Lorsque les températures de l'air et de la surface de la chaussée ne s’approchent pas de la température de congélation, l'impact des précipitations est assez simple et clair. Cependant, près du point de gelée, la pluie peut former de la glace à la surface de la chaussée ou la neige peut fondre sur la chaussée, soit parce que la température de surface de la chaussée est plus élevée, soit parce qu'un produit chimique de déglaçage est utilisé. Le système détecte ces différentes situations.
Évaporation et condensation
En raison de l'évaporation et de la circulation, toute humidité résiduelle (glace, neige ou eau liquide) disparaît généralement de la surface de la chaussée. Souvent, l'humidité de l'air se condense à la surface de la chaussée sous forme de rosée ou de givre. L'évaporation et la condensation sont à l'opposé de ce phénomène : l'évaporation est un taux négatif de condensation. Ce taux dépend principalement de la température de surface prédominante et de la teneur en eau de l'air, mais il varie également en fonction du vent.
À une température donnée, l'air ne peut contenir qu'une certaine quantité de vapeur d'eau avant d'arriver à saturation. Habituellement, la teneur en eau de l'air s'exprime en tant que pourcentage de cette quantité maximale possible, plutôt que par une valeur absolue. Ce pourcentage est appelé « humidité relative ». Quand la température baisse, la valeur de saturation diminue rapidement. Ainsi, si la quantité absolue d'humidité présente dans l'air reste la même, l'humidité relative augmente rapidement quand la température diminue. À une certaine température, l'humidité relative atteint 100 %, ce qui signifie que l'air est saturé.
Si la température continue de baisser, l'excès d'humidité est précipité sous forme de condensation ou se condense sous forme de rosée ou de givre sur les surfaces. La température à laquelle la saturation est atteinte est appelée « point de rosée » ou « température de rosée ». Cette valeur peut être calculée à partir de la température prédominante et de l'humidité relative. Par conséquent, de la condensation ou du givre se forme si la température de surface de la chaussée est inférieure au point de rosée de l'air. Si le point de rosée est inférieur à la température de surface, l'humidité s'évapore de la chaussée.
Gel et fonte
D'un point de vue physique, le gel et la fonte sont contrôlés par deux facteurs : les critères énergétique et cinétique. Pour que le critère énergétique soit rempli et qu'il y ait gel ou fonte, l'énergie libre doit diminuer. Pour répondre au critère cinétique, un mécanisme approprié doit permettre le changement de phase, c'est-à-dire que les conditions doivent être favorables au développement de cristaux de glace.
Pour empêcher la formation de verglas, divers produits chimiques sont utilisés sur les routes et les pistes des aéroports. Leur rôle est de diminuer la température de congélation de l'eau et l'humidité à la surface de la chaussée. Les principaux agents chimiques utilisés sur les routes sont le chlorure de sodium sous forme de sel gemme et le chlorure de calcium. L'urée (carbamide), l'acétate de calcium et de magnésium, l'acétate de sodium, le formiate de potassium et parfois l'éthylène glycol sont utilisés, principalement sur les pistes. Les composés déglaçants se dissolvent dans l'eau. Les températures de formation de glace de ces solutions étant plus basses que celle de l'eau pure, elles empêchent la formation de glace à des températures largement inférieures au point de congélation de l'eau pure.
Quand de l’eau pure est refroidie sous sa température de congélation (0 °C en conditions normales), des cristaux de glace commencent à se former et la température ne baisse plus (même si de la chaleur continue d'être retirée) tant que toute l'eau n'a pas gelé. Pour des raisons cinétiques, la congélation ne commence pas toujours à la température de congélation, mais peut commencer plusieurs degrés en dessous. Ce phénomène s'appelle la surfusion.
Les solutions, quant à elles, gèlent de manière différente. Elles n’ont pas une seule température de congélation définie. La formation de glace peut commencer à une certaine température, appelée température liquidus (dans la station RWS200, la température de congélation liquidus). La proportion de glace augmente régulièrement lorsque la solution est refroidie, jusqu'à une autre limite, appelée température solidus (dans la station RWS200, la température de congélation). Lorsqu'elle atteint la température du point de gelée, la solution gèle avant de continuer à refroidir. Entre ces deux limites, la solution est composée de cristaux de glace pure et d’une solution liquide. Les cristaux de glace étant constitués d’eau presque pure, la concentration de la solution augmente et tous les composés dissouts sont dans la phase liquide. À la température de congélation, on appelle « concentration eutectique » la concentration de la solution restante (4,8 mol/l pour le chlorure de sodium). Lorsque la concentration augmente, la température de congélation liquidus diminue, mais ce n'est pas le cas de la température de congélation (-21,1 °C pour le chlorure de sodium).
Ce principe se vérifie uniquement si la concentration originale est inférieure à la concentration eutectique. À la concentration eutectique exacte, la solution se comporte comme de l'eau pure, à la différence près que son point de gelée correspond à la température eutectique. Si la concentration est supérieure à la concentration eutectique, l'agent chimique dissout est précipité à partir de la température du point de gelée liquidus à la place du verglas. Le comportement est autrement identique à celui observé pour les concentrations inférieures. Dans la pratique, la concentration eutectique est tellement élevée que ce phénomène ne se produit que très rarement, ou elle est dépassée lors du déglaçage des routes et des pistes, sauf lors du processus de séchage de la surface de la chaussée. La surfusion se produit également avec les solutions. En fait, elle s'apparente plus à une règle qu'à une exception.
Quand des produits chimiques de déglaçage sont présents à la surface de la chaussée, il est important de connaître la température de congélation pratique de l'eau ou de l'humidité. Cette température est difficile à déterminer avec précision, car les solutions n'ont pas une seule température de congélation. Dans la station RWS200, la température de congélation a été placée légèrement au-dessous de la température de congélation liquidus, afin que la quantité de glace en formation soit suffisante pour avoir un impact sur les frottements.
D'autres facteurs affectent également l'utilité de la température de congélation réelle. Cela s'avère particulièrement vrai quand la couche liquide à la surface de la chaussée est fine, ce qui est le cas dans la plupart des situations courantes. La concentration du produit chimique de déglaçage peut changer très rapidement. En effet, un petit changement absolu de la quantité d'eau, aisément causé en quelques minutes par l'évaporation ou des précipitations, provoque un changement radical de la température de congélation. Cette variation de la température de congélation dépend directement et fortement de la concentration. Par conséquent, la température de congélation n'est pas elle-même un très bon indicateur pour évaluer le niveau de protection de la surface de la chaussée contre le gel. Dans le système, le capteur DRS511 mesure directement la quantité de produit chimique de déglaçage présent sur la route.
Structure de la glace
Les différentes formes de glace présentes à la surface de la chaussée sont la neige, le givre et l'eau cristallisée. D'un point de vue physique, elles se distinguent par leur taille, leur forme et la disposition des cristaux de glace.
La neige est toujours le résultat d'un processus de précipitation. Elle se caractérise par de petits cristaux de glace séparés par de l'air. Les cristaux ressemblent souvent à des étoiles et s'amassent relativement librement. À la surface de la chaussée, la neige est compressée par les véhicules et se transforme en glace.
Le givre est composé de cristaux de glace qui se développent à la surface de la chaussée par le biais de la condensation de l'humidité présente dans l'air. Les cristaux se forment sur la poussière et les petites irrégularités de la surface de la chaussée et grandissent au fil du temps. De l'air est généralement présent entre les cristaux.
De la glace solide se forme la plupart du temps par congélation de l'eau à la surface de la chaussée, mais elle peut aussi provenir du tassage de neige ou de givre. Il n'y a sensiblement pas d'air dans la glace. De manière générale, le verglas est composé de petits grains qui forment un agrégat, ce qui est courant chez les solides cristallins. La taille des grains varie, mais elle est en général assez petite, de l'ordre de 0,01 … 0,1 mm. Des grains bien plus gros sont aussi courants. Dans certaines conditions, un « cristal unique » de glace peut se former à la surface de la chaussée. Ce type de glace se caractérise par des grains de très grande taille. Les cristaux uniques se développent souvent dans des conditions calmes, quand une chaussée mouillée refroidit lentement. Ce type de glace est appelé « verglas » et il est aussi transparent que de l'eau.
La quantité de produit chimique de déglaçage à la surface de la chaussée a un impact très important sur la température de congélation, ainsi que sur la microstructure de la glace. Au-dessous de la température eutectique, la glace est constituée de grains de glace presque pure, intégrés dans une matrice de glace contenant le produit chimique dissout. Entre la température de congélation liquidus et la température de congélation, des grains de glace pure sont mélangés à la solution liquide. La quantité relative de glace dépend de la température : plus la température est basse, plus de glace est formée.