Le calcul intensif : un outil exceptionnel pour la compréhension de la planète Terre

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Titan est l’ordinateur le puissant du monde avec 600 To de mémoire vive.

Vous connaissez sans doute la loi de Moore ? L’ancien président de la compagnie Intel avait observé que la vitesse des ordinateurs doublait tous les 18 mois. Malgré les limites de la nanoélectronique, cette loi est toujours valide car les gains de performances sont obtenus par une multiplication massive des unités de calcul ainsi qu’une architecture hiérarchique hybride et parallèle. Dans son rapport sur la fusion nucléaire en 2007, l’Académie des Sciences estimait qu’en tenant compte à la fois du progrès des méthodes numériques et de la puissance des moyens de calcul, on gagnait un facteur 5 tous les 2 ans.

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De solides marées

Gravimètre supraconducteur de l’observatoire Géophysique de Strasbourg servant (entre autres) à observer les marées terrestres.

Vous savez certainement que les marées océaniques sont des déformations des océans dues aux forces d’attraction de la Lune et du Soleil sur l’eau et sur l’ensemble de la Terre. Ce que vous ne savez peut-être pas, c’est qu’il y a aussi des marées sur la Terre solide.

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Anatomie d’une figure fausse

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Figure 1 : Schéma incorrect.

Ouvrez n’importe quelle encyclopédie, cherchez sur Internet, ouvrez n’importe quel manuel scolaire, cherchez une image illustrant le phénomène des marées. Invariablement, vous trouverez quelque chose comme la figure 1.

Cette figure est FAUSSE ! Le bourrelet est mal placé et devrait être orienté comme sur la figure 2.

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Figure 2 : Schéma plus conforme à la réalité.

La marée serait basse sous la Lune ? Alors qu’elle devrait être haute puisque c’est là que l’attraction de la Lune est la plus forte. Comment est-ce possible ?

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Embouteillages, bruit et pollution

Les nuisances apportées par l’accroissement du trafic routier doivent être maitrisées.

Le développement routier a cru de manière exponentielle sur la Terre depuis la fin du XIXe siècle. S’il favorise les échanges et le développement économique, il s’accompagne aussi de nombreuses nuisances qu’il est important de maîtriser : congestions, consommation d’énergies non renouvelables et conséquences sur la pollution atmosphérique, émissions sonores… Pour associer développement durable et transports, les réflexions portent sur l’évolution technologique des véhicules et sur le développement de la multimodalité, c’est-à-dire l’association de plusieurs modes de transport.

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Estimer les effectifs des populations animales naturelles

Mouette rieuse Chroicocephalus ridibundus. Plus de 50 000 individus ont été bagués depuis 1976 dans le cadre d’une étude démographique à long terme de la population de mouettes rieuses nichant dans la plaine du Forez (Loire).

Les variations des effectifs des populations animales sont un vif sujet d’intérêt pour les sociétés humaines. On peut citer par exemple les stocks de poissons marins ou les populations de moustiques porteurs de maladies. Le développement de certaines populations peut conduire à des situations de conflit, c’est le cas pour le retour du loup en France et les interactions problématiques avec les éleveurs, et pour l’augmentation des dégâts dans les cultures céréalières par les sangliers. La mise en œuvre d’une gestion ou d’une régulation de telles populations doit se baser sur des connaissances appropriées, et en particulier sur des estimations des effectifs  et de leur évolution. Cependant, un recensement complet est impossible car tous les individus ne peuvent être observés, notamment s’ils sont mobiles et discrets comme le loup. On recourt alors le plus souvent à des méthodes d’échantillonnage d’individus marqués ou reconnaissables (par leur pelage, leur ADN…) et à des outils de modélisation appropriés pour obtenir des estimateurs, dans le cadre de qu’il est convenu d’appeler les « méthodes de capture-recapture ».

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L’engrais des villes

Mesures de réflectance, plaine de Versailles

Dans un contexte de maîtrise des ressources énergétiques, un enjeu majeur est la préservation de l’agriculture en région périurbaine. Le maintien de l’agriculture périurbaine et de ses bénéfices passe nécessairement par la préservation de son sol ; or les sols périurbains voient leur teneur en matière organique, essentielle pour garantir les rendements, diminuer de manière régulière. Diverses méthodes mathématiques couplées à des images satellitaires permettent aujourd’hui d’optimiser les apports en matières organiques.
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Quelle taille pour les diamants ?

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Microdiamants dans une agrafe.

Les diamants sont des pierres précieuses qu’on trouve dans le magma solidifié des conduites volcaniques. Difficiles à extraire, elles sont de taille très variable et rarement d’intérêt économique. Pour optimiser les chances de tomber sur un diamant de taille commercialisable, une procédure statistique basée sur des extractions partielles a été mise au point.

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Faire de l’eau à partir de l’air

ce qu'on verra quand on passe la souris

Plan.

L’eau peut s’avérer source d’inondation dans certaines contrées, par contre elle peut manquer cruellement et devenir source de conflits ailleurs. Le réchauffement climatique et ses nombreuses conséquences relatives à la disponibilité des ressources en eau douce amènent de nombreux scientifiques à s’interroger sur l’avenir de notre planète. Au même moment, le taux de vapeur d’eau dissoute dans l’atmosphère augmente. Pourtant, cette humidité est récupérable sous forme de rosée et exploitable pour produire de l’eau douce utile à l’homme.

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Des tourbillons qui font tourner la tête

Cyclone Katrina

L’océan et l’atmosphère sont des milieux fluides gigantesques. Leur point commun ? Ils sont le siège d’ondes se propageant à des vitesses variées. Parmi les plus communes, on trouve les ondes sonores qui parcourent environ un kilomètre en trois secondes dans l’air (ce qui permet d’estimer par exemple la distance à laquelle se trouve un orage). Beaucoup moins rapides, les vagues sont des ondes dites de gravité. Les tsunamis à la surface de l’eau et les cirrus dans l’air en font partie. Encore plus lentes sont les ondes de Rossby, identifiées en 1939. Ce sont des mouvements ondulatoires de la circulation océanique et atmosphérique liés à la force de Coriolis (une prochaine brève vous présentera Gaspard-Gustave Coriolis et sa “force”). Les ondes de Rossby se manifestent dans l’océan Atlantique Nord avec le Gulf Stream, dans l’atmosphère avec le Jet Stream (qui rend plus courts les temps de vol transatlantiques dans le sens ouest-est).

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Imagerie haute résolution du sous-sol


Estimation 3D des vitesses d’ondes de compression dans le champ pétrolier Valhall situé en mer du Nord.

Les géophysiciens s’intéressent à la reconstruction de la structure du sous-sol depuis de nombreuses années. Ils poursuivent des objectifs variés, à différentes échelles : l’exploitation des ressources minières et fossiles, la détection et la surveillance des nappes phréatiques, la détection de cavités, la prévention du risque, la compréhension des phénomènes à grande échelle liés à l’activité sismique et au volcanisme.

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Des modèles stochastiques pour simuler le temps

La production agricole dépend beaucoup du climat.

La variabilité climatique naturelle, ou résultant du changement climatique dû aux émissions de gaz à effet de serre, a été identifiée comme un facteur clé pour un grand nombre d’activités humaines et pour de nombreux systèmes étudiés en écologie et en environnement.

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Analyser 47 ans d’avalanches pour prévenir les risques futurs

Chalet totalement détruit par une avalanche de poudreuse exceptionnelle le 20 janvier 1981. Commune de La Morte, Isère, France.

Nous avons tous en tête des avalanches aux conséquences catastrophiques. Pour s’en prémunir, on a besoin de  construire des modèles de prédiction fiables et il est tout d’abord essentiel de comprendre les événements passés.
Un modèle récemment développé par des équipes de l’INRA et de l’IRSTEA décrit l’historique des avalanches ayant eu lieu entre 1946 et 2009 dans toute la région des Alpes françaises.

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Théorie du contrôle pour la régulation des canaux et des voies navigables

Sur la Meuse en Belgique, des vannes commandées par des automates programmables sont utilisées pour contrôler le débit et réguler le niveau de chaque bief.

Sur la Meuse en Belgique, des vannes commandées par des automates programmables sont utilisées pour contrôler le débit et réguler le niveau de chaque bief.

Pour les réseaux d’irrigation comme pour les voies navigables canalisées, des vannes permettent d’agir sur le débit et de réguler le niveau d’eau. On dit d’un tel système qu’il est commandé. L’objectif qu’on peut alors se donner est d’amener le système d’un état initial donné à un certain état final, en respectant éventuellement certains critères. Un autre objectif peut être de stabiliser le système, c’est-à-dire de le ramener proche d’un certain état s’il s’en éloigne. Ces questions sont celles de la théorie du contrôle.

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Le climat de chez vous a-t-il déjà changé ?

L’augmentation prévue des températures (en °C) dépend de la région.

En France, de nombreuses observations météorologiques sont réalisées et archivées depuis plus d’un siècle. Ces observations nous renseignent sur le climat moyen de chaque région – les fameuses normales saisonnières - et permettent de mettre en perspective certains événements extrêmes comme la canicule d’août 2003, ou la vague de froid de février 2012. Considérées sur une période suffisamment longue (au moins plusieurs décennies, typiquement un siècle), elles fournissent également des informations précieuses sur les changements climatiques. On peut, en particulier, se demander si les variations observées sont compatibles avec les seules fluctuations naturelles du climat, ou si, au contraire, elles attestent d’un réel changement.

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La conduction, un moteur universel

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Le phénomène de conduction est à l’origine du fait qu’une cuillère plongée dans un liquide chaud devient chaude à son tour.

- Comment la chaleur du thé migre-t-elle dans la cuillère plongée dans la tasse ?
- Par conduction.
- Et pour le courant électrique qui circule dans une lampe ?
- Conduction.
- L’eau souterraine qui s’écoule dans les nappes phréatiques ?
- Conduction.
- Une espèce invasive qui se répand dans une forêt ?
- Conduction, diffusion.
- Les cendres d’un volcan qui voyagent dans l’atmosphère ?
- Conduction, diffusion.
- Un produit chimique qui s’étale dans une mare ou un verre d’eau ?
- Conduction, diffusion, vous dis-je !

Tous ces phénomènes relèvent effectivement de la conduction ou de la diffusion, c’est-à-dire d’un transport de masse ou d’énergie. Une quantité physique est ainsi transportée d’une zone de forte valeur vers une zone de faible valeur. Lire la suite

Jeter un œil « Au centre de la Terre »

Propagation d’une onde sismique

Les sous-sols regorgent de richesses. Jules Verne et de nombreux autres rêveurs souhaitaient ardemment s’y rendre afin de les exploiter. Aujourd’hui, l’homme souhaite toujours s’approprier ces ressources mais dans une optique bien plus réaliste. Des images à haute résolution du sous-sol offrent déjà un grand nombre d’applications industrielles et académiques : détection d’eau potable, d’hydrocarbures, prévention des risques sismiques…

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Sous nos pieds, le manteau bouge

Modèle numérique de convection thermique du manteau terrestre. La couleur en surface représente la résistance des roches : bleu pour les roches résistantes (continents) et rouge pour les roches peu résistantes (limites entre les plaques, chaînes de montagnes). Les flèches indiquent la vitesse en surface calculée. La couleur en profondeur représente la température : bleu pour les zones froides, rouge pour les zones chaudes.

Modèle numérique de convection thermique du manteau terrestre. La couleur en surface représente la résistance des roches : bleu pour les roches résistantes (continents) et rouge pour les roches peu résistantes (limites entre les plaques, chaînes de montagnes). Les flèches indiquent la vitesse en surface calculée. La couleur en profondeur représente la température : bleu pour les zones froides, rouge pour les zones chaudes.

La Terre est en mouvement : les continents dérivent et les fonds marins sont en expansion. Autour de l’Océan Pacifique notamment, les roches du plancher océanique s’enfoncent sous l’effet de leur poids dans les profondeurs du manteau terrestre. Ces lents déplacements (de quelques centimètres par an) sont rendus possibles par la plasticité des roches qui composent les couches profondes de la Terre. Ils permettent à notre planète d’évacuer son trop-plein d’énergie interne à la manière d’un moteur. C’est le phénomène de convection thermique, qui s’exprime à la surface du globe par la tectonique des plaques.

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Des cristaux de SMS

Envoi d'un sms

Quel lien entre les SMS et la cristallisation ?

Imaginons le modèle de communication suivant. Deux personnes souhaitent s’envoyer des SMS : on dira qu’elles sont en interaction (c’est-à-dire en relation). On peut considérer que si elles sont trop proches, l’intérêt d’un envoi de SMS est négatif (contre-productif) et qu’elles feraient mieux de se parler directement. Ensuite, quand la distance entre elles augmente, l’intérêt commence par croître puis diminue considérablement et devient très vite nul, les opérateurs téléphoniques n’étant par exemple plus compatibles.

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Votre air, votre santé

Carte de pollution en dioxyde d'azote

Carte de pollution en dioxyde d’azote (en μg/m3).
Les disques colorés sont les stations de mesure Airparif.

L’air que nous respirons contient de nombreux polluants. Les activités humaines sont naturellement en cause : trafic automobile, émissions industrielles, agriculture, etc. Mais la nature produit également des polluants tels que les Composés Organiques Volatils émis par la végétation et les poussières des éruptions volcaniques.

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Des codes correcteurs d’erreurs pour les télécommunications

Les communications sans fil dans l’ère du monde.

Les télécommunications sont devenues indispensables dans notre vie quotidienne. Cet échange numérique d’informations se fait par le biais de canaux de communication comme le câble, la fibre optique, le Wifi, les satellites, etc. Ces canaux ne sont pas tous fiables à 100%, ils sont soumis à des perturbations qui peuvent altérer l’information qui les traverse. Pour résoudre ce problème, on utilise des codes correcteurs d’erreurs.

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