Les séismes
Publié le 26 avril 2017

La Terre est en perpétuel mouvement : elle bouge, parfois de manière brève et violente. Les séismes constituent des événements imprévisibles dont la prédiction reste inaccessible, y compris pour les plus grands experts. En France, comme dans la majorité des pays où le risque sismique existe, plusieurs organismes surveillent les mouvements de la Terre pour garantir au mieux la sécurité des populations en cas d’événements sismiques importants.
QU’EST-CE QU’UN SÉISME ?

L'écorce terrestre n'est pas homogène. Elle est constituée d’une douzaine de plaques épaisses de 10 à 80 kilomètres. Ces plaques se déplacent de quelques centimètres en moyenne par an en se frottant les unes contre les autres sous l’effet du mouvement de convection. Le mouvement de convection dans le manteau peut être comparé à un tapis roulant géant fait de roches plus ou moins visqueuses, qui peuvent entraîner les plaques en surface.


C'est ce mouvement qui entraîne le phénomène appelé « tectonique des plaques », qui fait dériver les continents. Ces déplacements provoquent la déformation de la croûte terrestre et l’accumulation de tensions dans la roche. Le séisme correspond à la libération brutale de ces tensions en un déplacement brusque du terrain le long d’une faille.

Lorsqu’il a lieu, un séisme libère de l’énergie en profondeur depuis son hypocentre qui correspond au centre de rupture le long de la faille. Il ne faut pas le confondre avec l’épicentre qui est l’endroit à la surface qui se trouve juste au-dessus de l’hypocentre.

Lors d'un tremblement de terre, une partie de l'énergie est libérée depuis l'hypocentre sous forme d'ondes sismiques. Il en existe plusieurs types: les ondes de compression (les plus rapides, qui font bouger le sol de haut en bas quand elles viennent des profondeurs de la Terre), les ondes de cisaillement (qui le font bouger latéralement) et les ondes de surface qui se propagent à la surface de la Terre et sont les plus destructrices. Suivant le type de sol rencontré, la vitesse et la direction des ondes peuvent varier.

COMMENT MESURE-T-ON UN SÉISME ?
Pour mesurer un tremblement de terre, les sismologues utilisent des sismomètres. Ces outils vont servir à enregistrer la durée et l’amplitude des ondes. Lorsque les données de plusieurs sismomètres sont croisées, il est possible de connaître la position et la puissance exacte du séisme.


Pour caractériser un séisme, deux échelles existent : la magnitude et l’intensité. La magnitude caractérise l’énergie libérée par le séisme, sur une échelle ouverte s’étendant jusqu’à 9 (et plus) pour les plus grands séismes. Plus la magnitude est élevée, plus l’énergie libérée par le séisme est importante. Dans le monde, la plus forte magnitude observée, à ce jour, est de 9,5 pour le séisme du Chili en 1960.

L’intensité va, quant-à-elle, mesurer, sur une échelle fermée allant de 0 à 12, l’importance des effets ressentis et des dommages provoqués par un séisme.

Historique

A ce jour, les cinq séismes les plus puissants de l’histoire contemporaine sont :
*         Le séisme de Valvidia, au Chili, le 22 mai 1960, de magnitude 9,5 ;
*         Le séisme de Sumatra, en Indonésie, le 26 décembre 2004, de magnitude 9,2 ;
*         Le séisme d’Anchorage, en Alaska, le 27 mars 1964, de magnitude 9,2 ;
*         Le séisme de la côte Pacifique de Tohoku, au Japon, le 11 mars 2011, de magnitude 9,0 ;
*         Le séisme de Kamtchatka, en Russie, le 4 novembre 1952, de magnitude 9,0.

    

Et les tsunamis ?
Un tsunami est généré par un séisme sous-marin ou côtier de faible profondeur (moins de 50 km de profondeur) et d’une magnitude d’au moins 6 sur l’échelle de Richter. L’amplitude du tsunami dépend de la magnitude du séisme. On considère alors qu’à partir d’une magnitude 8, un séisme peut générer un tsunami potentiellement dévastateur au niveau d’un océan.


DÉTECTER LES SÉISMES
DANS LE MONDE

Il n’est pas possible de prédire les séismes, pas plus que de les empêcher de se produire ni de contrôler leur puissance. La seule façon de diminuer le risque est de réduire la vulnérabilité des infrastructures humaines susceptibles d’être soumises à des séismes.

De très nombreuses stations sismiques couvrent par ailleurs le globe. Elles font partie de réseaux de dimension planétaire  (Iris, Geoscope…) ou de dimension régionale (tels que le réseau RESIF pour la France). Leurs données sont, en temps réel et de façon sécurisée (Internet, satellite, téléphone), mises à la disposition des organismes en charge d’émettre rapidement des alertes en cas de séisme (NEIC aux Etats-Unis, CSEM  en Europe…). Ce partage des données sismiques permet aussi à ces derniers de publier des catalogues de sismicité,  grâce auxquels on peut quantifier l’aléa sismique.

En France c’est le Département Analyse, Surveillance, Environnement (DASE) du CEA qui assure une mission de surveillance des séismes pour la France métropolitaine et qui alerte les autorités en cas de séisme susceptible d’être ressenti et en cas de tsunami consécutif à un fort séisme en mer, en Méditerranée, en Atlantique Nord-Est et dans le Pacifique.

Cette mission d’alerte aux tsunamis (24h/24) s’appuie sur des réseaux géophysiques robustes, garantissant un accès temps-réel et continu aux mesures, des capacités informatiques de traitement automatique des enregistrements et une expertise pour l’alerte. Elle met en œuvre du personnel dédié, travaillant 24h/24 et 7 jours sur 7.


PEUT-IL Y AVOIR DES SÉISMES EN FRANCE ?
En France, les forts séismes sont peu nombreux et ne se reproduisent que rarement au même endroit à l'échelle de la mémoire humaine. On ne peut donc avoir une image exhaustive de la sismicité potentielle d'une région à l'aide des seules données de sismicité instrumentale et historique. La France est un pays où l'aléa sismique est globalement plus faible que dans des pays comme le Japon ou, en Europe, la Grèce. Cependant, certaines régions sont plus sensibles que d'autres en métropole (Alpes, Provence, Pyrénées, Alsace). Outre-mer, les Antilles ont déjà connu et connaîtront encore des tremblements de terre dévastateurs.
 

COMMENT PEUT-ON SE PROTÉGER DES SÉISMES ?
En 2005, le gouvernement a lancé, sur la période 2005-2010, un programme national de prévention du risque sismique (PNPRS), dit « Plan Séisme ». Objectif : réduire la vulnérabilité de la France face au risque sismique, en favorisant une prise de conscience des citoyens, des constructeurs et des pouvoirs publics, mais aussi en mettant en place des dispositifs efficaces et en améliorant les savoir-faire et compétences existants.

La construction parasismique
Des règles existent depuis le début des années 1980 et ont été renforcées à la fin des années 1990. La signature, le 22 octobre 2010, des décrets relatifs à la prévention du risque sismique et à la définition du nouveau zonage sismique de la France marque une nouvelle étape avec un zonage plus précis et plus étendu et des règles renforcées.

Ainsi, depuis le 1er mai 2011, toutes les communes françaises relèvent d'une zone de sismicité (cinq zones en tout, de « très faible » à « forte »). Les normes s'appliquant aux maisons individuelles dépendent ainsi de l'appartenance à telle ou telle zone de sismicité. En revanche, les installations dites « sensibles » font l'objet de normes unifiées sur tout le territoire français, indépendamment de la zone de sismicité dans laquelle se situent ces installations.

 
QUELS SONT LES PROCHAINS DÉFIS DE LA SISMOLOGIE ?
En croisant les données du réseau mondial de détecteurs sismiques les chercheurs en sismologie cherchent à automatiser et extraire plus facilement des données d'analyse pertinentes à l'aide de supercalculateurs. En plus de ce travail, ils cherchent également à mieux comprendre le bruit environnant du manteau terrestre pour mieux connaître la structure interne de la Terre.

Des recherches sont également menées sur les séismes dits « lents » qui sont des frottements des plaques tectoniques (dans les zones de subduction) qui se traduisent par des séismes légers et progressifs sur plusieurs semaines. La compréhension de ce phénomène pourrait expliquer l'apparition de séismes plus violents voire même les prédire.

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Qu’est-ce que l'énergie ?


Concept abstrait, l'énergie vient du mot grec "energia" qui signifie "force en action".

Publié le 1 juillet 2012

L'ÉNERGIE PLUS OU MOINS ÉLEVÉE
L’existence de l’énergie peut apparaître sous des masques divers et on peut ainsi sentir de quelle manière elle dépend de la situation. Une voiture possède une énergie d’autant plus élevée qu’elle roule plus vite ; cette énergie est inférieure à celle d’un camion allant à la même vitesse. Un ressort, lorsqu’il est comprimé, a une énergie plus grande que lorsqu’il est détendu. L’énergie d’une pile électrique avant sa mise en service est plus grande que lorsqu’elle est déchargée. L’énergie d’une casserole d’eau augmente lorsqu’on la chauffe.
L’énergie se présente ainsi sous des formes très diverses. Pour chacune d’entre elles, les comparaisons effectuées montrent que l’énergie d’un système physique dépend de l’état dans lequel il se trouve. Dans les exemples ci-dessus, cet état est caractérisé par la vitesse et la masse du véhicule, la déformation du ressort, la charge. Nous allons le voir, les divers types d’énergie peuvent, au moins partiellement, prendre bien d’autres formes. Ces transformations de l’énergie sont utilisées dans la vie courante, mais chacune d’entre elles génère des pertes.

Les diverses sources d'énergie

L'ÉNERGIE SE TRANSFORME
L’énergie peut se transmettre d’un système à un autre : sous forme de chaleur, elle passe d’un radiateur à l’air d’une pièce. Elle peut aussi se transformer en changeant de nature. Dans un jouet mécanique, le ressort se détend en provoquant un mouvement. L’énergie associée au mouvement d’un vélo se transforme, lorsqu’on freine, en chaleur communiquée aux patins des freins et à la jante des roues. L’énergie emmagasinée dans une pile de lampe de poche se change, lorsqu’on ferme le circuit, en énergie électrique ; celle-ci se convertit à son tour dans l’ampoule en énergie lumineuse et calorifique. Dans une centrale thermoélectrique, l’énergie stockée dans le carburant (énergie chimique dans le charbon et le pétrole, ou énergie nucléaire dans l’uranium) est transformée (par combustion ou par réaction nucléaire) en chaleur ; puis une partie de cette chaleur est récupérée dans les turbines sous forme mécanique ; enfin, cette énergie mécanique est convertie en énergie électrique dans les alternateurs.
C’est à travers de telles transformations ou de tels transferts que l’énergie se manifeste à nous.

L'ÉNERGIE SE CONSERVE
La caractéristique la plus remarquable de l’énergie est qu’elle se conserve toujours. Lorsqu’elle est transférée d’un système à un autre, ou lorsqu’elle change de nature, il n’y a jamais ni création ni destruction d’énergie. Si un objet a perdu de l’énergie, la même quantité d’énergie a obligatoirement été gagnée par un autre objet en communication avec le premier. De même, lorsque l’énergie change de forme, le bilan est toujours exactement équilibré.

L’énergie se conserve : rien ne se perd, rien ne se crée. C’est le premier principe de la thermodynamique.

C’est donc par abus de langage que les journaux, les économistes ou les hommes politiques parlent de “production d’énergie”, ou de “pertes d’énergie”, puisque l’énergie ne peut être ni créée ni perdue. En réalité, dans une centrale thermoélectrique, on ne “produit” pas d’énergie, mais on transforme de l’énergie chimique ou nucléaire en énergie électrique et calorifique. Le bilan global de cette conversion est caractérisé par un rendement. Celui d’une centrale représente 33 %, ce qui signifie que pour envoyer sur le réseau 33 unités d’énergie électrique, il a fallu consommer 100 unités d’énergie nucléaire, tout en dégageant 67 unités de chaleur ; cette chaleur, évacuée dans l’environnement, par exemple par la vapeur d’eau sortant des tours de refroidissement, est donc, en général, perdue pour nous. Certaines centrales en récupèrent toutefois une partie pour chauffer des habitations ou des serres.
Nous verrons plus loin que, si l’énergie se conserve toujours, ses diverses formes ne sont pas équivalentes, car toutes les transformations concevables ne sont pas réalisables.

L'ÉNERGIE SE MESURE
C’est la propriété de conservation de l’énergie qui nous permet de mesurer, à l’aide d’une seule et même unité, les diverses formes de l’énergie. L’énergie, dite cinétique, associée au mouvement d’un objet de masse “m” et de vitesse “v” vaut E = 1/2 mv2 ; lorsque la masse est exprimée en kilogrammes et la vitesse en mètres par seconde, cette formule donne l’énergie en joules (J), unité légale dans le système international.
À l’époque où l’on n’avait pas encore reconnu que la chaleur était une forme de l’énergie, l’étude des échanges thermiques avait conduit à introduire une unité de chaleur, la calorie, définie comme la quantité de chaleur à fournir à 1 gramme d’eau pour élever sa température de 1 degré Celsius. L’expérience a montré que les transformations d’énergie mécanique en chaleur, ainsi que les transformations inverses, se faisaient toujours avec le même rapport, à savoir 1 calorie pour 4,18 joules. Il y a donc équivalence entre ces deux formes d’énergie (mécanique et chaleur). Ceci a permis d’abandonner la calorie et de mesurer la chaleur et toutes les autres formes d’énergie, en joules.

L'Américain consomme en moyenne environ deux fois plus d’électricité que le Français, lequel consomme quatorze fois plus d’électricité que l’Africain.

LA PUISSANCE
Les échanges d’énergie sont caractérisés, non seulement par la quantité d’énergie transférée ou transformée, mais aussi par la durée du processus. La notion de puissance est ainsi définie comme une quantité d’énergie échangée par unité de temps. L’unité de puissance, le watt, est donc le joule par seconde. Un radiateur électrique de 1 500 W consomme durant chaque seconde une énergie électrique de 1 500 J, et par suite, durant chaque heure (3 600 secondes), une énergie électrique de 3 600 x 1 500 J = 5 400 000 J, transformée en énergie calorifique.
Cet exemple montre que le joule est une unité d’énergie trop petite pour nos usages courants. On emploie souvent en pratique le kilowattheure (kWh), quantité d’énergie mise en jeu par un appareil d’une puissance de 1 000 W pendant un délai d’une heure. Ainsi, 1 kWh vaut 3 600 x 1 000 J = 3 600 000 J. Le radiateur électrique considéré ci-dessus consomme, en une heure de fonctionnement, 1,5 kWh et rayonne évidemment pendant la même durée une énergie calorifique de 1,5 kWh.
La consommation annuelle moyenne d’électricité par habitant en France est de plus de 7 000 kWh, le double aux États-Unis, soit 14 000 kWh, et en Afrique un peu plus de 500 kWh. Les trois quarts de l’électricité produite en France sont d’origine nucléaire, le dernier quart se partageant entre hydroélectrique et thermique (charbon, pétrole). Mais cette électricité représente elle-même moins de la moitié de notre consommation totale. Le reste fait appel à une utilisation directe de pétrole (essence, fioul), de gaz et de charbon ; le tiers de nos besoins concerne, en effet, le chauffage des locaux, et le quart concerne les transports.

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Le Cern annonce avoir obtenu les signes d'une désintégration d'un boson de Higgs en deux muons

Par Marine Benoit le 05.08.2020 à 19h00


Le Cern, par le biais de deux expériences, a annoncé de nouveaux résultats jamais obtenus jusqu'alors au Grand collisionneur de hadrons. Ces derniers mettent en évidence la désintégration du boson de Higgs en deux muons, un phénomène extrêmement rare.

La désintégration d'un boson de Higgs en muons a une chance de 1 sur 5.000 de se produire.

CERN/ATLAS-CMS
C’est une première au Grand collisionneur de hadrons (LHC, pour Large Hadron Collider) du Cern, plus grand et plus puissant accélérateur de particules au monde. Les expériences ATLAS et CMS — deux des cinq expériences que comprend le LHC, ont obtenu des indices inédits d’une désintégration du boson de Higgs en deux muons. Ces résultats ont été officiellement annoncés lundi 3 août 2020 lors de la 40e Conférence internationale de la physique des hautes énergies, qui se tient actuellement (et virtuellement) à Prague jusqu’au 6 août.

Les muons sont des particules élémentaires issues des rayons cosmiques les plus couramment observés sur Terre. Particulièrement abondants, on estime que toutes les secondes, plus de 100 muons nous traversent. Ils sont par exemple utilisés par les physiciens pour remplacer artificiellement les électrons qui créent les liaisons chimiques entre les atomes et assurent la cohésion de la matière. Les muons sont en réalité en tous points semblables aux électrons, à la différence qu’ils sont 200 fois plus lourds que ces derniers. Cet écart de masse les place dans la catégorie des particules élémentaires dites de deuxième génération (aux côtés des quarks charm et strange par exemple), quand les électrons, à la masse négligeable, appartiennent à la première génération — celle où se classent toutes les particules de la matière que l’on connaît. Il existe aussi des particules de troisième génération, à l’instar des leptons tau ou des quarks top, plus lourds encore que les particules de deuxième génération.

Interaction proportionnelle à la masse
Cette histoire de générations, et donc de masse, est cruciale pour comprendre toute l’importance de l’annonce du Cern. C’est en effet la toute première fois que l’on récolte des indices laissant à penser qu’un boson de Higgs a atteint un état final fait de deux particules élémentaires de deuxième génération. Jusqu’à présent, seules des désintégrations en des particules de troisième génération, beaucoup plus lourdes, avaient été observées (en deux quarks top ou bottom, en deux leptons tau…). "La désintégration d’un boson de Higgs donnait jusqu’ici toujours naissance à des particules de troisième génération", explique à Sciences et Avenir Stephane Willocq, physicien sur l’expérience Atlas et qui en deviendra le coordinateur en octobre prochain. "La désintégration en deux muons est un phénomène physique rare puisque selon nos prédictions, un seul boson de Higgs sur 5.000 environ suit ce processus."

RAPPEL. Qu’est-ce que le boson de Higgs ? Surnommée la "particule de Dieu", le boson de Higgs est considéré par les physiciens comme la clef de voûte de la structure fondamentale de la matière. C'est lui qui, quelques fractions de secondes après le Big Bang, a donné leur masse à toutes les autres particules de l'Univers. Retrouvez notre question de la semaine sur le sujet pour en savoir plus.
De tels indices vont donc dans le sens des prédictions du modèle standard de la physique : le boson de Higgs interagirait bien en fonction de la masse de la particules. "En partant de ce principe, nous nous attendions à une désintégration beaucoup plus rare en muons, ce qui semble être précisément le cas", poursuit Stephane Willocq. Il pourrait donc s’agir d’une importante confirmation de la nature de l’interaction entre le boson de Higgs et les particules élémentaires. Une interaction proportionnelle à la masse.

Une première étape
Il est toutefois important de préciser ici qu’il ne s’agit pas encore d’une "observation" à proprement parler, mais bien de la récolte de données statistiques allant dans le sens d’une désintégration d’un boson de Higgs en deux muons. Il faudra à ATLAS et CMS atteindre la sensibilité de 5 sigmas pour établir définitivement cette découverte. Pour le moment, la signification statistique de CMS s’élève à 3 sigmas. Autrement dit, les chances qu’il ne s’agisse que d’une simple fluctuation statistique et non de la désintégration du boson sont inférieures à 1/700. ATLAS, lui, a obtenu un niveau de 2 sigmas, ce qui correspond à une probabilité de 1/40. "Bien sûr, en combinant ces deux résultats, la probabilité de la fluctuation statistique est encore basse. Mais il reste encore une toute petite place à l’erreur, et nous devons atteindre forcément l’indice de confiance pour l’écarter", termine le scientifique.
Roberto Salerno, physicien CNRS à l’École polytechnique en charge de la coordination des manipulations sur CMS, fait une analogie pour mieux comprendre l’importance d’accumuler plus de données : "Si seulement une personne sur 5.000 porte des chaussures rouges, il faudra, pour pouvoir en observer 10, disposer d’un groupe d’au moins 50.000 personnes. Prouver que ce n’est rien d’autre que le boson de Higgs se désintégrant en deux muons, tout en le distinguant du bruit du fond, est un travail fastidieux de sélection des bons événements. Pour y parvenir, il faut  générer beaucoup, beaucoup de collisions."
Lors du fameux "Run III", prochaine phase d’exploitation du LHC qui devrait débuter en 2022, les chercheurs seront en mesure de doubler ou tripler cette quantité de données. Les Runs 4 et 5 débuteront, eux, vers 2027, et permettront de générer 10 fois plus de données. "Nous allons commencer à accumuler des données en 2022, et ce pendant trois années qui, on l’espère, seront suffisantes pour établir l’observation à un niveau statistique irréfutable", précise Roberto Salerno.

L'espoir d'une faille dans le modèle standard
Aujourd'hui, si la matière a une masse, c'est bien parce que les particules qui la composent ont interagi dans un passé lointain avec le boson de Higgs. Ce passé lointain correspond au moment où l'Univers était âgé de 10-10 secondes, lorsque la température frôlait les 1015 degrés. Avant cet instant précis, les particules n'avaient pas de masse. L'une des grandes interrogations de ce siècle est donc la suivante : pourquoi certaines particules ont plus interagi que d'autres avec le boson ? Pourquoi diable ont-elles acquis des masses différentes ? "C'est un problème vraiment très profond que l'on aimerait résoudre. Nous espérons trouver un jour la réponse au moyen d'autres théories au-delà du modèle standard. C’est justement l'une des raisons pour lesquelles nous faisons ce type d’expérience : nous souhaitons plus que tout trouver des failles dans le modèle standard", confie Stephane Willocq.

Il n'est pas non plus exclu qu'une connexion entre le boson de Higgs et la fameuse matière noire existe. "Nous avons l’espoir que le boson soit une nouvelle particule tout à fait spéciale, sans équivalent, au rôle unique. Nous espérons apprendre encore beaucoup de cette fascinante particule sans spin."

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Le boson de Higgs se désintègre bien en quarks b, conformément à la théorie

Par Azar Khalatbari le 03.09.2018 à 20h00

Prévu par la théorie, un mode de désintégration du boson de Higgs vient enfin d'être observé par les détecteurs CMS et Atlas.

Ce mode de désintégration du boson de Higgs n'avait jamais encore été observé

CMS ATLAS /CERN
C’est lui, c’est bien lui ! C’est bien le boson de Higgs, particule qui explique la masse de toutes les autres appartenant au "modèle standard" de la physique, qui a été découvert en 2012 par le Cern, ce qui avait valu le prix Nobel de physique à Peter Higgs et  François Englert (2013), les premiers à l'avoir décrit. S’il fallait encore une nouvelle preuve, la voici : le boson de Higgs se désintègre bien, comme prévu statistiquement par les théoriciens dans 60% des cas, en quark bottom - dit  quark b -, une autre particule élémentaire.  Ce sont les deux expériences Atlas et CMS, montées sur le LHC (le grand collisionneur de hadrons) du Cern, qui viennent de faire l'observation de ce mode de désintégration.

En effet, le 28 août dernier, six ans après la découverte du fameux boson au cours d’un séminaire interne au Cern, les deux expériences - qui avaient déjà permis la découverte du fameux boson, ont annoncé avoir repéré deux quarks b au sein du détecteur ainsi qu'ils l'ont publié dans le magazine Science News.  

Le produit de désintégration
Une observation très difficile à effectuer car d'autres désintégrations des particules créées au sein du LHC sont aussi susceptibles de produire des quark b. Il fallait donc que les chercheurs trouvent un moyen de distinguer ceux émis spécifiquement lors de la désintégration du Higgs. Or, comme souvent dans ce domaine, les particules ne sont pas observées directement, leur durée de vie n’étant que de quelques fractions de seconde, mais uniquement en procédant à un bilan des énergies de chacune d'entre elle. Et c'est ainsi que les chercheurs ont pu conclure qu’un boson de Higgs était bien passé dans le détecteur. Et qu'il s'était désintégré en quark b, conformément à la théorie qui avait prédit que ce mode de désintégration survenait dans 60% des cas.
Lors de sa découverte en 2012, le Higgs avait été repéré grâce à un autre mode de désintégration, en deux photons. Un cas de figure statistiquement plus rare, mais plus « facile » à observer.

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