Géochimie, senseurs et aérodynamique

Dans le cadre de ses activités en lien avec le Traité d’interdiction complète des essais nucléaires (Tice), le CEA mène des recherches en géochimie. Ces travaux portent sur le suivi d’isotopes radioactifs, leur transport atmosphérique et leur impact dosimétrique sur la nature.

Prélèvement d’aérosols sur un filtre, pour les activités liées au Tice – crédit C.Dupont/CEA

À l’échelle du globe, l’établissement de cartes modélisant le réseau infrason permet de localiser des sources explosives en simulant avec précision le bruit de fond et les vents stratosphériques. Les senseurs atmosphériques et l’aérodynamique sont également abordés.

Pour en savoir plus

Édition 2014
Treize ans d’observation des ondes de gravité en Afrique Chocs Avancées 2014 / E. BLANC, T. FARGES, A. LE PICHON, P. HEINRICH (CEA – DAM ile-de-France)

Une nouvelle étude, utilisant des enregistrements de la station IS17 (Côte d'Ivoire) du Système de surveillance international (SSI) de vérification du Traité d’Interdiction Complète des Essais nucléaires (TICE), a révélé une activité très intense des ondes de gravité qui suit le mouvement de la zone intertropicale de convergence des vents. Leur origine est essentiellement liée à la convection des orages, très nombreux dans cette région de l’Afrique. L’altitude élevée du sommet des nuages suggère un impact significatif de ces ondes sur la dynamique de la stratosphère, confirmé par des études théoriques récentes.

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Capteurs chimiques revêtus de calixarènes pour la détection d’explosifs Chocs Avancées 2014 / P. MONTMEAT, F. VEIGNAL, L. HAIRAULT (CEA – Le Ripault, Laboratoire de recherche correspondant LRC CEA/UPMC/CNRS n°1), C. METHIVIER, C.-M. PRADIER (Laboratoire de Réactivité de Surface, UMR 7609 CNRS – Université Pierre et Marie Curie, Paris, Laboratoire de recherche correspondant LRC CEA/UPMC/CNRS n°1)

Les calix(n)arènes (n = 4, 6, 8) sont des molécules complexantes qui s’organisent dans l’espace en conformation de seau. Utilisées sous forme de film mince recouvrant des capteurs chimiques de type microbalance à quartz, ils ont été évalués pour la détection du 2,4-dinitrotoluène (DNT) qui est une impureté d’un explosif bien connu, le trinitrotoluène (TNT) [1]. Pour mieux cerner les mécanismes de détection et les interactions entre les vapeurs de DNT et les calixarènes, une étude a également été menée en spectroscopie infrarouge de surface. Alors qu’on pouvait imaginer que la taille du seau du calixarène aurait une influence sur la sensibilité du capteur, il a été démontré que pour la détection du DNT, il n’en était rien.

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Édition 2013
La météorite de Chelyabinsk : l’évènement le plus puissant jamais enregistré par le réseau international de surveillance Chocs Avancées 2013 / A. LE PICHON, N. BRACHET, P. HERRY, J. ASSINK (CEA – DAM ile-de-France)

Le 15 Février 2013, une météorite a illuminé le ciel au-dessus des montagnes de l’Oural. Les ondes acoustiques générées lors de sa désintégration ont pu être détectées après une propagation de deux révolutions complètes autour du globe. L'énergie explosive estimée à environ 500 kt d'équivalent TNT fait de cet évènement naturel le plus énergétique jamais enregistré par le réseau du Système international de surveillance (SSI) de l’Organisation du traité d’interdiction complète des essais nucléaires (OTICE). L’analyse des enregistrements montre l’incertitude des modèles classiques estimant les dégâts occasionnés par l’onde de choc d’une explosion en altitude. Dans le cadre de la vérification du TICE, la météorite de Chelyabinsk constitue un événement de référence permettant de calibrer à l’échelle du globe les performances du SSI pour détecter, localiser et discriminer des évènements d’intérêt.

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Édition 2012
Accident de la centrale nucléaire de Fukushima Dai-ichi :
analyse des rejets de radionucléides dans l’atmosphère
Chocs Avancées 2012 / G. Le PeTiT, P. aChiM, G. douysseT, P. Gross, M. MonForT, C. MouLin (CEA – DAM ile-de-France)

Le 11 mars 2011, la côte Est du Japon est frappée par un séisme de magnitude exceptionnelle qui conduit à un tsunami majeur, puis à l’accident de la centrale nucléaire de Fukushima Dai- ichi. Quatre réacteurs sur six subissent des dommages irrémédiables entre le 12 et 15 mars 2011, principalement engendrés par des explosions d’hydrogène (unités 1, 2 et 3) et d’un feu affectant la piscine de refroidissement des éléments combustibles de l’unité 4. Dans les jours qui suivent, les stations aérosols et gaz rares du réseau de surveillance de l’Otice (Organisation du traité d’interdiction complète des essais nucléaires) mettent en évidence la présence de produits de fission dans l’atmosphère. Les données issues de ces stations, reçues au CND (Centre national de données) situé à Bruyères-le-Châtel, sont particulièrement précieuses pour renseigner sur les chronologies de rejets et évaluer les niveaux de remise à l’atmosphère de la radioactivité. Plus spécifiquement, les stations de surveillance aérosols et gaz rares localisées à Takasaki, à environ 100 km au Nord-Ouest de Tokyo (Japon), permettent de fournir un diagnostic sur l’état des réacteurs.

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Suivi submillimétrique de réflecteurs radar Chocs Avancées 2012 / G. quin, Ph. Loreaux (CEA – DAM ile-de-France)

Nous présentons les résultats d'une expérience menée à l'aide de réflecteurs radar bidirectionnels nommés MUSE (Multipass Scattering Equipment). Ces réflecteurs, développés et brevetés par le CEA, permettent des mesures de déplacements du sol en 3D à l'aide d'images satellites radar. En effet, si l'on dispose de plusieurs images radar de ces réflecteurs acquises à des dates différentes, il est possible de mesurer précisément leurs déplacements au cours du temps par interférométrie. Le but de notre expérience est l'évaluation de la précision de cette mesure. Elle consiste à disposer des réflecteurs sur un site stable et à leur imposer manuellement des déplacements connus de quelques millimètres entre chaque acquisition à l'aide de verniers micrométriques. Les déplacements des réflecteurs sont ensuite calculés à l'aide de l'outil de traitement d'images radar du CEA, appelé CIAO (chaîne interférométrique radar opérationnelle). Nous montrons qu'il est possible de mesurer leurs déplacements avec une précision de 0,48 mm.

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Édition 2011
À l’écoute de sources explosives accidentelles : observation et interprétation de signaux inattendus Chocs Avancées 2011 / J. Vergoz, A. Le Pichon (CEA – DAM ile-de-France), D. Green (AWE Blacknest, Brimpton, Reading, Royaume-Uni)

L'analyse des signaux infrasons produits par les explosions accidentelles des dépôts de munition de Gerdec et de Chelopechene montre l’importance de structures atmosphériques de petite échelle sur la propagation. Les ondes de gravité, non décrites par les modèles d’atmosphère actuels, induisent des fluctuations des champs horizontaux de vents influant sur la propagation des ondes dans la stratosphère et mésosphère. Cette étude quantifie les effets des petites perturbations des modèles de vent sur la durée et l’amplitude des signaux enregistrés, en contribuant ainsi à améliorer nos outils de simulation de la propagation et de caractérisation de sources explosives. Ce travail profite aussi au développement de méthodes plus réalistes d’estimation des capacités de détection du Système de surveillance international (SSI) pour la vérification du Traité d'interdiction complète des essais nucléaires (TICE).

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Édition 2010
Surveillance à grande distance des éruptions volcaniques Chocs Avancées 2010 / R. S. Matoza, A. Le Pichon, J. Vergoz, P. Herry, J.-M. Lalande (CEA - DAM Île-de-France), H. Lee, I. Che (Earthquake Research Center, Korea Institute of Geoscience and Mineral Resources, Korea), A. Rybin (Sakhalin Volcanic Eruptions Response Team, Institute of Marine Geology and Geophysics, Yuzhno-Sakhalinsk, Russia)

Les éruptions volcaniques génèrent des ondes infrasonores (ondes acoustiques ~ 0,01 à 20 Hz) qui se propagent sur de grandes distances dans l'atmosphère avec une faible atténuation. Ces ondes peuvent être détectées par des antennes de capteurs de pression très sensibles appelés microbarographes. Le Système de surveillance international (SSI) de l'Organisation du traité d'interdiction complète des essais nucléaires (OTICE) détecte fréquemment des éruptions volcaniques. Le volcan Sarychev, situé à Ostrov Matua, dans les îles Kouriles, est rentré dans une phase éruptive majeure en juin 2009. Aucune station sismique n'a pu enregistrer des signaux, alors que des ondes infrasonores ont été détectées à plus de 6 400 km de distance. Ces signaux sont utiles pour déduire la chronologie des explosions, mieux comprendre le processus des phases d’injection de cendres dans l'atmosphère, et améliorer la prévision de transport et la dispersion de ces cendres. Ces enregistrements sont également utiles pour valider des modèles de propagation des infrasons dans la haute atmosphère et améliorer les outils opérationnels de surveillance des explosions aériennes.

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Développement d’un détecteur de vapeurs d’explosifs Chocs Avancées 2010 / T. Caron, S. Clavaguera, M. Guillemot, M. Bouhadid, F. Parret, F. Veignal, E. Pasquinet, P. Montméat, P. Prené, L. Hairault (CEA - L e Ripault), F. Perraut (CEA - DRT-LETI, Grenoble)

La détection de substances chimiques gazeuses devient un élément incontournable de la sécurité des personnes, aussi bien du point de vue du contrôle de la pollution que de la prévention des actes terroristes. C’est une des raisons pour lesquelles divers groupes de recherche s’intéressent à la mise au point de capteurs chimiques de gaz. Ces dispositifs sont aisément miniaturisables et bénéficient de coûts de fabrication réduits. Leur fonctionnement est basé sur une interaction entre un matériau sensible et une phase gazeuse qui conduit à une modification de la physico-chimie du matériau. Une équipe du CEA a développé un matériau fluorescent capable de détecter de très faibles quantités d’explosifs sous forme de vapeurs. Cet article s’intéresse au matériau qui compose le système de détection et décrit ses performances.

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Édition 2009
Le tritium dans la matière organique des végétaux Chocs Avancées 2009 / L. Vichot, Y. Losset (CEA - Valduc)

La distribution du tritium dans la nature résulte principalement de sa production naturelle par les rayons cosmiques et des conséquences des essais nucléaires des années 1953 à 1964. Cependant, à l’échelle locale, un accroissement des niveaux de concentration du tritium peut être imputé aux activités industrielles du secteur nucléaire. Une partie de l’eau tritiée (HTO) contenue dans les tissus foliaires des végétaux est convertie en tritium organiquement lié (OBT : Organically Bound Tritium), principalement à l’issue du processus de photosynthèse. La concentration en OBT dans les plantes peut être estimée en utilisant le coefficient de transfert d’HTO en OBT, lorsque celui-ci est connu. L’objectif du programme de recherche développé depuis 2004 est d’accéder à une connaissance plus optimale de l’ensemble des facteurs de transfert qui régissent les équilibres entre le tritium dans l’air et la plante.

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Édition 2008
Vers une modélisation plus réaliste des performances du réseau infrason du TICE Chocs Avancées 2008 / A. LE PICHON, J. VERGOZ, E. BLANC (CEA – DAM – ÎLE-DE-FRANCE)

Les premières cartes globales déterminant les performances du réseau infrason de vérification du TICE (Traité d’interdiction complète des essais nucléaires) ont été établies dans les années 1990. Il a fallu cependant attendre les mesures récentes du bruit réel, fournies par les stations de plus en plus nombreuses du réseau et les derniers modèles de vent, pour obtenir des cartes plus réalistes. En parallèle, il est maintenant possible de valider les simulations à partir de la mesure d'événements de référence. Ces études constituent un enjeu majeur pour le TICE, mais aussi pour une communauté scientifique plus large qui prend conscience du potentiel de ce réseau global pour la surveillance de l’environnement et l’étude de la dynamique de l’atmosphère.

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Édition 2007
Observabilité de la décélération d’un véhicule balistique Chocs Avancées 2007 / P. MINVIELLE, P. DODIN, J.-P. LE CADRE* (CEA-Cesta, *IRISA/CNRS)

Dès qu’un véhicule hyper véloce rentre dans l’atmosphère, il subit une forte décélération. Un radar peut chercher à caractériser le freinage de l’objet, afin de mieux le suivre et, éventuellement, l’identifier. La propension de l’objet au freinage est souvent quantifiée par une grandeur appelée coefficient balistique. L’analyse de son observabilité, c’est-à-dire de la capacité à l’estimer, est un problème ardu. L’approche classique en théorie de l’estimation conduit à de lourds calculs de type simulation Monte-Carlo. Dans l’article, des travaux originaux sont présentés, menant à des formules analytiques exprimant l’observabilité. Ces formules sont utiles pour mieux appréhender cette question, et déterminer les paramètres dimensionnants. En outre, elles peuvent servir de support à des spécifications “système” ou à la gestion dynamique du senseur.

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Visualisation pour l’analyse de données géophysiques Chocs Avancées 2007 /M. AUPETIT (CEA - DAM - Île-de-France)

Dans le cadre de la surveillance des traités internationaux (Traité d’interdiction complète des essais), les équipes du CEA - DAM enregistrent en continu les signaux sismiques mesurés sur les stations du système de surveillance internationale. Elles analysent ces signaux, détectent les événements, et déterminent leur origine naturelle ou artificielle. Nous avons développé deux méthodes d’analyse de données, qui forment les bases d’un outil d’aide à la décision destiné aux analystes. La première est une méthode de visualisation basée sur la projection des données sur un plan. Elle fournit une visualisation immédiate des zones d’intérêt, et des zones présentant un risque d’erreur d’interprétation. La seconde est une méthode d’analyse exploratoire des données combinant statistique et topologie, évitant les distorsions associées aux méthodes de projection usuelles.

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Phénomènes atmosphériques transitoires : projet Taranis Chocs Avancées 2007 / E. BLANC, T. FARGES (CEA - DAM - Île-de-France)

La découverte, ces quinze dernières années, des phénomènes lumineux transitoires dans la haute atmosphère, et des flashs gamma d’origine terrestre, remet en question notre compréhension de l’environnement stratifié de la terre. La fréquence d’occurrence de ces phénomènes au dessus des foyers orageux, et les énergies impliquées révèlent un transfert d’énergie impulsionnel entre la troposphère et les couches supérieures de l’atmosphère qui n’était pas soupçonné jusqu’à présent. Ces phénomènes ont des effets non encore quantifiés, et font intervenir de nouveaux processus de physique fondamentale qui pourraient avoir des implications plus larges et se manifester ailleurs dans l’univers. Le projet de microsatellite TARANIS, qui a été sélectionné en 2007, a pour objectif la détermination de l’origine de ces phénomènes transitoires et de leurs effets sur l’environnement, à partir de la mesure simultanée, au nadir, de l’ensemble des émissions intervenant dans ces phénomènes

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Édition 2006
Un capteur chimique de gaz Chocs Avancées 2006 / P. MONTMÉAT, F. PARRET, L. HAIRAULT, P. PRENÉ (CEA - Le Ripault)

Que ce soit au titre du contrôle de la pollution, ou de la lutte contre le terrorisme, la détection de substances chimiques gazeuses devient un élément incontournable de la vie quotidienne. C’est une des raisons pour lesquelles divers groupes de recherche s’attachent à mettre au point des capteurs chimiques de gaz. Ces dispositifs sont aisément miniaturisables et bénéficient de coûts de fabrication réduits. Leur fonctionnement est basé sur une interaction entre un matériau sensible solide et une phase gazeuse, qui conduit à une modification de la physico-chimie du matériau. Récemment, des chercheurs du CEA - DAM, en collaboration avec l’Université de Dijon, ont développé des capteurs de vapeurs d’explosifs de type nitroaromatique. Cet article décrit la conception et les performances de détection des capteurs.

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Sumatra, deux ans après Chocs Avancées 2006 / J. GUILBERT, H. HÉBERT (CEA - DAM - Île-de-France)

Le 26 décembre 2004 s’est produit à Sumatra (Indonésie) l’un des plus forts séismes jamais enregistrés, de magnitude 9,2. Il fut suivi d’un tsunami catastrophique qui a affecté l’ensemble de l’Océan Indien. La quantité et la variété des mesures des deux événements, séisme et tsunami, ont apporté un éclairage sur les mécanismes mis en jeu lors de ruptures sismiques majeures et sur la génération des tsunamis qui en résultent.
D’un point de vue tectonique, le séisme du 26 décembre 2004 a rompu, sur plus de 1 000 km, la zone de confrontation des plaques australienne et eurasiatique, comme le montrent les inversions des données géophysiques. En termes d’énergie libérée, ce séisme représente à lui seul l’équivalent de plus d’une année de sismicité mondiale cumulée. Apprendre à caractériser rapidement, en cas d’alerte, l’ampleur de tels événements, afin de localiser les zones fortement touchées par le séisme, ainsi que le potentiel “tsunamigénique”, représente un défi important pour les sciences de la Terre.
C’est la première fois qu’un tsunami de cette ampleur a été enregistré par des instruments très divers, répartis sur l’ensemble des océans, depuis les marégraphes installés dans les ports, jusqu’aux satellites altimétriques, sans oublier les stations sismiques et hydroacoustiques de l’Océan Indien. Les enregistrements marégraphiques ont été peu nombreux et ne permettent pas toujours de discuter des caractéristiques du tsunami. En revanche, les données altimétriques révèlent en détail un tsunami exceptionnel au large, enregistré deux heures après le séisme. L’inversion de ces données a fourni une distribution des glissements pour le séisme à l’origine des vagues, soulignant les glissements supérieurs à 15 m sur presque la moitié de la faille. Les simulations en champ lointain, à La Réunion, ont permis de tester les méthodes de simulation qui sont appliquées pour l’évaluation de l’aléa tsunami, notamment en Polynésie française.
L’exploitation et la modélisation de l’ensemble des données recueillies seront à la base des futurs systèmes d’alerte aux tsunamis qui se mettent en place depuis cet événement majeur de 2004.

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Mise à jour : 19/09/2014