La Terre intéresse-t-elle les physiciens ?

Colloque organisé par Michel Gouilloud, Etienne Guyon, Claude Jaupart et Henri-Claude Nataf du 14 au 20 avril 1995

Participants

Francis Albarède (Ecole normale supérieure (ENS), Lyon), Claude Allègre (Institut de physique du globe, Paris), Andrée Bergeron (Palais de la Découverte, Paris), Vincent Courtillot (Institut de physique du globe, Paris), Uriel Frisch (Observatoire de Nice), Michel Gouilloud, Etienne Guyon (ENS, Paris), Dominique Jault (Institut de physique du globe, Paris), Claude Jaupart (Institut de physique du globe, Paris), Dominique Leglu (Journaliste scientifique, Libération), Paul Manneville (Ecole polytechnique, Palaiseau), Maurice Mattauer (Université de Montpellier-Il), Henri-Claude Nataf (ENS, Paris), Anthony Pearson (Schlumberger Cambridge, Grande-Bretagne), Dmitri Pissarenko (Institut de physique du globe, Paris), Jean-Paul Poirier (Institut de physique du globe, Paris), Yanick Ricard (ENS, Lyon), Pierre Saliot (Cité des sciences, Paris), Joël Sommeria (ENS, Lyon), Didier Sornette (Université de Nice), Jean-Pierre Vilotte (Institut de physique du globe, Paris)

Compte-rendu

L’idée d’organiser cette rencontre découle de deux constatations. Tout d’abord, si les premiers physiciens ont cherché à expliquer le mouvement des planètes et à découvrir les lois qui régissent notre Univers, ils se sont aussi intéressés à la planète Terre, à sa structure interne et à son évolution au cours des âges. On peut citer les calculs de Newton sur l’ellipticité de la Terre ou bien les considérations de Kelvin sur le gradient de température dans la Terre et sur l’âge de notre planète. On pourrait dire en quelque sorte que les premiers physiciens ont été des géologues. Depuis le début de ce siècle, il semble que les sciences de la Terre ont été délaissées par les physiciens, sans que l’on puisse considérer que les problèmes importants étaient résolus. Bien au contraire, l’énorme bond en avant qu’a représenté la démonstration de la dérive des continents dans les années soixante n’a provoqué que peu d’intérêt en dehors des sciences de la Terre, sauf peut-être chez quelques mathématiciens et spécialistes de mécanique des fluides. La seconde constatation est que les connaissances récentes sur la structure et la dynamique du globe terrestre ne sont partagées que par une communauté scientifique restreinte. Il a donc été décidé de convier des spécialistes de divers domaines de la physique et des sciences de la Terre pour confirmer ou infirmer cette vision des choses, et pour résumer l’état d’avancement de ces deux disciplines. Deux aspects complémentaires furent aussi discutés. Le premier était de faire le point sur les nouvelles théories et méthodes en physique des milieux complexes qui sont, ou peuvent être, utilisées en sciences de la Terre. Le second aspect était de proposer de nouvelles idées pour diffuser les connaissances modernes en sciences de la Terre, aussi bien auprès des scientifiques des autres disciplines qu’auprès du grand public et des élèves.

L’approche des sciences de la Terre

Les sciences de la Terre, comme toutes les sciences naturelles, mobilisent des chercheurs de spécialités très différentes et font appel à des approches variées. Ces caractéristiques les rendent difficiles à résumer en quelques mots et les éloignent des disciplines scientifiques fondamentales telles que la physique et la chimie. On y parle beaucoup de pluridisciplinarité, mot dont la définition est floue et qui recouvre des réalités très différentes selon les cas. Une première constatation est que les sciences de la Terre posent un problème de mesure, sous deux aspects distincts. Premièrement, un phénomène géologique affecte des volumes très importants et on ne peut le réduire à une mesure simple et unique. En particulier, si l’on peut analyser divers effets induits, comme par exemple des anomalies du champ de pesanteur ou des variations de flux de chaleur, on ne peut les isoler facilement des effets dus à d’autres phénomènes. Il y a donc une grande distance entre le phénomène que l’on cherche à comprendre et les données quantitatives disponibles. Tester une théorie est donc difficile.

Le second aspect est que, devant la complexité des phénomènes, les géologues ont multiplié les mesures, faisant appel aux outils de la géophysique, comme la détermination du champ de pesanteur et des anomalies de la vitesse de propagation des ondes sismiques, de la chimie, comme la mesure de la composition des roches, et de la géométrie, comme la mesure des champs de déformation.

Ces différentes variables ont des sensibilités distinctes aux divers mécanismes mis en jeu et il est difficile de les utiliser conjointement. La spécialisation, souvent poussée à l’extrême, empêche le scientifique d’apprécier à sa juste mesure les informations provenant de disciplines autres que la sienne. En résumé, il est rare de voir, pour un problème donné, les diverses informations disponibles utilisées simultanément. On parle souvent d’interprétation, mot qui cache l’intuition du chercheur. Nous nous sommes donc penchés sur la notion de modèle.

Les modèles

On peut distinguer deux sortes de modèles : les modèles prédictifs (quantitatifs) et les modèles conceptuels (ou de processus). Comme dans toutes les sciences, le rôle des modèles est essentiel. L’enrichissement de la perception de la Terre passe par la réalisation de modèles, d’abord conceptuels, puis prédictifs. Prenons l’exemple de la tectonique des plaques : le modèle conceptuel d’expansion océanique était une étape fondamentale qui rompait avec la vision d’une Terre rigide figée ; le modèle prédictif de la tectonique des plaques apportait un cadre théorique qui permettait de relier entre elles de nombreuses observations de manière quantitative (vitesse d’expansion, répartition des mécanismes de tremblements de terre, flux de chaleur…). Une des spécificités des sciences de la Terre tient à la nécessaire pluridisciplinarité des modèles. La Terre est un objet complexes, les méthodes d’auscultation sont très nombreuses. En faire émerger un modèle commun (d’abord conceptuel, puis prédictif) est une des grandes difficultés. Les astronomes, qui n’ont eu longtemps que la lumière visible comme source d’information, le découvrent chaque jour avec l’extension du spectre observable. Le compromis entre la richesse, parfois aveuglante, des observations et la simplicité, parfois réductrice, des modèles est ce qui fait la beauté de la recherche en sciences de la Terre.

Physique et sciences de la Terre

Si le début du siècle a vu les physiciens se désintéresser de la Terre, il semble que la tendance soit à un retour aux systèmes naturels. L’avènement de la dynamique des systèmes complexes y est pour beaucoup. Nous avons analysé quels pouvaient être les transferts fructueux de cette physique moderne vers les sciences de la Terre.

Séries temporelles et systèmes complexes

Il existe de nombreux outils de traitement des séries temporelles. Il faut savoir les dénicher et adapter le traitement du signal au système sous-jacent. Il peut, s’agir de retrouver les dimensions de l’espace de phase, par exemple par recherche des composantes principales. Mais cela ne marche que pour un nombre de degrés de liberté faible (inférieur à 4 en pratique).

Encore faudrait-il mieux connaître l’influence des erreurs sur les données et celles de l’échantillonnage. Les analyses en ondelettes se généralisent. Elles s’appliquent aussi bien aux séries temporelles qu’aux données spatiales, y compris sur une sphère. Signalons à ce propos le livre très pédagogique d’Arneodo et de ses collaborateurs, chez Diderot (Ondelettes, multifractales et turbulences : de l’ADN aux croissances cristallines. A. ARNEODO, F. ARGOUL, E. BACRY, J.

ELEZGARAY & J.F. MUZY, Diderot Editeur, Arts et Sciences, Paris, (1995). Il n’en reste pas moins qu’il n’y a pas de recette miracle universelle. Des outils nouveaux existent ; il faut apprendre à s’en servir, à les utiliser et à les faire évoluer.

Echelle, échantillonnage et homogénéisation

Le problème de l’homogénéisation qui permet d’utiliser les outils des milieux continus se pose de manière très aiguë en sciences de la Terre. Citons deux exemples : le comportement rhéologique de la croûte parcourue d’un réseau de failles et le rôle d’hétérogénéités chimiques de densité dans la convection du manteau.

La physique propose une double description : l’une à l’échelle microscopique, l’autre à l’échelle macroscopique. On peut distinguer trois régimes :

1) Petit désordre \ les lois microscopiques peuvent être moyennées et fournir la loi macroscopique ; exemple : le comportement élastique d’une roche formée de différents minéraux.

2) Grand désordre : il y a interaction entre les échelles. On ne peut pas identifier d’échelles de coupure entre les comportements micro et macroscopique ; exemple : les structures cohérentes dans les écoulements turbulents.

3) Très grand désordre : le rôle de la variation des propriétés locales est tel qu’on ne peut traiter que bloc par bloc.

De grands progrès ont été réalisés dans la formalisation du deuxième régime (théories statistiques, renormalisations, multifractales, etc.). Il faut savoir appliquer et adapter ces nouvelles idées aux sciences de la Terre. Force est de constater que le troisième régime ne connaît pas de traitement autre qu’au cas par cas.

Les nouveaux outils

Au cours des vingt dernières années sont apparus des outils révolutionnaires dans différents domaines des sciences, tel le microscope à effet tunnel. Ces nouveaux outils sont-ils connus en sciences de la Terre ? Pourraient-ils s’y avérer utiles ?

– Chimie théorique

Les grands progrès de la modélisation en chimie théorique (méthodes ab initio, dynamique moléculaire) ont des applications évidentes en sciences de la Terre : équations d’état de minéraux à haute pression ; transitions de phase. Un cercle d’initiés seulement utilise ces techniques. Elles gagneraient à être plus présentes et à voir leur champ d’application s’élargir (propriétés de transport ? réactions chimiques ?).

– Technologie haute pression

Les sciences de la Terre sont depuis longtemps à la tête de l’évolution spectaculaire de ces techniques. C’est plus dans le couplage de la presse diamant, avec des outils tels que la spectroscopie Brillouin, ou avec des méthodes telles que la thermodynamique statistique, que des progrès restent à accomplir.

– Nanoscopie

Le microscope à effet tunnel a ouvert la voie au développement de toute une panoplie d’outils permettant de “voir” à l’échelle de l’atome. Ces outils se cherchent des champs d’application. Il y en a certainement en sciences de la Terre. L’étude des propriétés de transport pourrait en être un des premiers bénéficiaires.

– Techniques spatiales

Bien que directement concernées par des satellites tels que Seasat, Landsat, Spot, Topex-Poseidon, ERS, etc., les sciences de la Terre solide ne se présentent pas comme un interlocuteur suffisamment fort et organisé pour pousser au lancement d’opérations spatiales, pourtant nécessaires. Tout le monde s’accorde à juger essentiel le lancement d’un satellite magnétique par exemple. Mais les communautés concernées sont un peu dispersées et manquent de ressources humaines à engager dans le lobby spatial.

Communication et formation

Un des points forts de nos débats a porté sur la communication et la formation. Au-delà des généralités, nous nous sommes attachés à proposer des actions concrètes pour changer une situation où les sciences de la Terre sont mal à l’aise.

Pourquoi communiquer vers l’extérieur ? Pour attirer des financements et justifier leur utilisation ; pour permettre des contacts entre différentes disciplines ; pour informer les citoyens et former les enseignants. Les sciences de la planète sont amenées à occuper une place centrale dans la société du XXIe siècle : l’homme a pris conscience de la globalité et de l’unicité de la Terre, et des modifications que son activité y apporte ; mais la Terre est un système complexe et les outils pour son étude sont récents. Il importe donc de préparer les générations du XXIe siècle à l’étude de la planète.

Face à une telle destinée, force est de constater que les sciences de la Terre se présentent en ordre dispersé. Dans les médias, le réchauffement global, le trou d’ozone et les catastrophes naturelles “font la une” de temps en temps, mais le journaliste scientifique reste une espèce rare. Dans les musées, les nouveaux regards sur notre planète ne font que poindre. Mais c’est dans l’enseignement que le retard semble le plus grave. Un long mariage avec la biologie, sous le label “sciences naturelles”, a rejeté la géologie hors des sciences “dures” qu’on voudrait maintenant lui faire côtoyer. Dans ce domaine, il y a beaucoup à faire et à inventer. Nous proposons quelques voies à explorer.

Médias et musées

Quelques initiatives méritent d’être connues et poursuivies :

– La mise sur pied d’un réseau de scientifiques qui servent d’interlocuteurs privilégiés pour les journalistes sur tel ou tel sujet (« Sciences-Contact » piloté par l’Académie des sciences).

– La filière “Journalisme scientifique” de l’Ecole de journalisme. Des conférences sur des sujets tirés des sciences de la Terre pourraient y être présentées.

Nous suggérons une autre action : la publication des actes de notre colloque, pour servir d’appui à une réunion avec les journalistes au palais de la Découverte ou à l’Ecole de journalisme.

Un rapprochement entre musées (au sens large) et chercheurs s’est amorcé grâce aux rencontres telles que celle de Dijon en 1993. Il faut poursuivre cette voie. Les musées sont demandeurs d’expériences de démonstration et d’idées pour faire “parler” leurs collections (entre autres minéralogiques).

Rappelons également la “valise sur le chaos”, inventée par Pierre Bergé, et les efforts de collecte d’expériences de démonstration du GDR européen “Mécanique des milieux hétérogènes”. Nous proposons d’établir un forum électronique sur les expériences de démonstration ayant un lien avec les sciences de la Terre. Andrée Bergeron assurerait sa mise en route.

Enseignement

La “sociologie” des enseignants et le système des agrégations pèsent lourdement sur l’évolution souhaitée dans ce domaine.

Nous sommes encore sous le règne du mariage biologie-géologie, devenu très anachronique. Les biologistes subissent un enseignement de géologie, qui ne les intéresse guère, et la minorité des géologues convaincus passe à côté de l’approche physique de notre planète. Et les agrégations perpétuent ce malaise ad nauseum. Bien sûr des liens doivent exister entre géologie et biologie, mais la cohérence des enseignements doit se faire autour de l’objet Terre, avec toutes ses composantes : physique, chimique, historique, et en conjuguant harmonieusement modèles et observations.

Pour préparer cette révolution inévitable, nous suggérons plusieurs initiatives, car il faut attaquer le problème par tous les bouts à la fois.

– Lycées

Le programme de 1^e S illustre bien un écueil qu’il faut éviter : celui de l’encyclopédisme. Peut-on encore vraiment former un “honnête homme” des sciences de la Terre ? Ne vaut-il pas mieux faire ressortir une vision physique et de proximité de la Terre ?

Des initiatives existent pour faire émerger une science de la planète, voire de l’Univers. Citons, par exemple, le projet piloté par l’université de Princeton, qui consiste à installer des sismomètres performants, mais bon marché, dans les lycées. Grâce au réseau Internet, les lycées sont connectés au Centre sismologique de Princeton, ce qui permet l’échange des données et l’accès à des données sismiques. Plus près de nous, un projet similaire consiste à faire collaborer un laboratoire du CNRS avec les élèves du bassin d’Aquitaine sur la surveillance des eaux fluviales.

Les manipulations mentionnées au paragraphe précédent peuvent également servir de base à des TP en lycée. Avec l’instauration récente des TIPE (travaux d’initiative personnelle encadrés), il est possible d’encourager les lycéens à choisir des sujets sur la Terre et de proposer une vision plus physique de celle-ci au lycée.

– Classes préparatoires, IUFM, 1^er cycle universitaire

Avec le système des options, les universités ont la possibilité de proposer un menu “sciences de la Terre” aux DEUG A.

En classes préparatoires, l’extension des TIPE pourrait permettre une sensibilisation du même type. Cela n’est pas suffisant. Au contact des professeurs de physique-chimie des classes préparatoires, nous constatons qu’ils sont très friands des exemples d’application de la discipline qu’ils enseignent à la planète Terre. Nous proposons la réalisation d’un livre d’exercices de physique et de chimie pour classes préparatoires entièrement basé sur des applications aux sciences de la Terre.

Yanick Ricard piloterait ce projet. Il pourrait être utile aussi dans les instituts universitaires de formation des maîtres (IUFM).

– Maîtrises et magistères

C’est à ce niveau qu’il est sans doute le plus facile d’agir. Il reste pourtant beaucoup à faire. Il y a en France environ 50 maîtrises de géologie, contre 3 en astronomie et encore moins en science de l’atmosphère. Du point de vue de la physique, l’accent est toujours et avant tout mis sur la physique microscopique (quantique, atomique et nucléaire). Des rapprochements ont eu lieu : la géophysique est présente dans de nombreuses maîtrises des sciences de la Terre (exemple : Paris-Sud) et la physique macroscopique (et des options géophysiques) apparaissent dans les magistères de physique (exemple : Ecole normale supérieure).

Mais pourquoi ne pas expérimenter un magistère de “physique macroscopique” ou de “physique des milieux naturels” ? Les Ecoles normales supérieures sont sans doute le lieu idéal pour de telles expériences.

– Agrégations

A terme, l’agrégation “sciences naturelles” devrait disparaître, pour laisser la place à deux agrégations, “sciences de la vie” et “sciences de l’Univers”. Mais on connaît les lourdeurs du système des agrégations. Sans doute faut-il commencer plus modestement en lançant une nouvelle agrégation, “physique et chimie de la Terre”, qui permette de former les nouveaux enseignants dont on aura besoin dans le secondaire et en classes préparatoires.

En guise de conclusion

Comme on le voit, notre rencontre a donné lieu à des débats passionnés et à une foison d’idées. Nous veillerons à ce qu’elles soient suivies d’actes concrets. Il nous faut aussi mentionner l’enthousiasme des physiciens (et des autres) pour l’excursion géologique qu’organisa Maurice Mattauer dans les magnifiques environs des Treilles. Un regret : nous aurions dû être plus persuasifs pour attirer des physiciens qui n’avaient pas encore entendu l’appel de la planète bleue. Sans doute une incitation pour recommencer une telle rencontre dans quelque temps. Et ainsi avoir une autre chance d’écouter le chant des cigales et les merveilleux musiciens de l’Académie musicale de Villecroze.

 

Communications

• Francis Albarède – La dynamique chimique du manteau convectif au cours des âges géologiques
• Andrée Bergeron – Faire voir la Terre au musée
• Michel Demazure – Présentation des sciences de la Terre dans les musées
• Uriel Frisch – Théorie des grandes déviations
• Etienne Guyon – Mécanique des milieux granulaires
• Dominique Jault – Modélisation de la dynamo terrestre
• Claude Jaupart – L’étude des volcans et de leurs éruptions
• Dominique Leglu – Les six W du journalisme scientifique
• Paul Manneville – Modélisation des phénomènes naturels et dynamique non linéaire
• Maurice Mattauer – Peut-on s’intéresser à la Terre sans passer par la géologie ?
• Henri-Claude Nataf – Sismologie et convection dans le manteau
• Anthony Pearson – La Terre : un milieu continu ou un milieu fracturé à plusieurs échelles ?
• Dmitri Pissarenko – La rupture sismique : un regard à travers les échelles
• Yanick Ricard – Dynamique du manteau terrestre
• Joël Sommeria – Turbulence et organisation dans les systèmes naturels : application à la convection et à la formation des planètes
• Didier Sornette – Lois de puissance, criticalité et criticalité auto-organisée
• Jean-Pierre Vilotte – Rugosité et fracture : implications physiques

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