Quand la foudre touche le sol, l’impact génère de petites vibrations qui se propagent dans le sous-sol. Ces « thunderquakes », tremblements déclenchés par la foudre, étaient jadis considérés comme trop faibles pour être utiles aux sciences; et en tant que tel, ils pourraient même masquer des signaux plus tangibles.
Des câbles à fibre optique de haute qualité entrent en scène. Des chercheurs de l’Université d’État de Pennsylvanie ont enterré des câbles de télécommunications sous leur campus, connectant le réseau à des capteurs acoustiques employés en sismologie. Étonnamment, les capteurs ont réussi à récupérer des informations sur les minuscules variations provoquées par 458 thunderquakes au cours de deux années. Dans un article publié aujourd’hui dans Science Advances, l’équipe explique qu’elle a utilisé avec succès cet ensemble de données pour créer des images détaillées des structures géologiques situées sous Penn State, jusqu’à environ 328 pieds (100 mètres) sous terre.
« En d’autres termes, une tempête dans le ciel peut nous aider à voir sous terre », a déclaré Tieyuan Zhu, co-auteur de l’étude et géophysicien, à Gizmodo. « Nous transformons ce que les sismologues considèrent traditionnellement comme du bruit environnemental en un signal scientifique utile. »
Vibrations superficielles
Selon l’article, la sismologie a eu tendance à se concentrer sur des « sources au sein de la Terre solide », comme des séismes qui ébranlent littéralement des structures géologiques situées à des dizaines de kilomètres sous la surface. En revanche, il est raisonnable de supposer que des phénomènes dans les « sphères fluides » de la Terre, tels que des phénomènes atmosphériques, pourraient « injecter de l’énergie dans le sol et générer un mouvement sismique mesurable », expliquait l’étude.
Cependant, ce sujet n’a pas été largement étudié, selon l’équipe. De plus, les thunderquakes sont « bien trop faibles pour causer des dégâts, et les gens ne peuvent généralement pas les ressentir », a expliqué Zhu à Gizmodo. Mais ils constituent aussi des candidats idéaux pour étudier la partie la plus superficielle de la surface terrestre, en raison de leur énergie à haute fréquence, a-t-il ajouté.
L’équipe avait déjà constaté que les fibres de télécommunications ordinaires étaient suffisamment sensibles pour détecter les thunderquakes. Zhu a déclaré que cela soulevait naturellement la question suivante : « Pourrions-nous aller au-delà de la simple détection des thunderquakes et les utiliser réellement pour cartographier le sous-sol ? »
Du bruit au signal
Pour cette étude, l’équipe a utilisé une technique appelée détection acoustique distribuée, qui envoie des impulsions laser à travers des fibres optiques et mesure comment les variations du mouvement du sol affectent la fibre. Cela permet effectivement à un seul câble de « agir comme des milliers de capteurs sismiques étroitement espacés », a expliqué Zhu à Gizmodo. Pour assurer la fiabilité, l’équipe a en outre collecté séparément des données géologiques et géophysiques afin de comparer les lectures avec les données des thunderquakes.
« Comme la vitesse des ondes sismiques dépend des propriétés du matériau à travers lequel elles se déplacent, ces mesures nous ont permis d’estimer la structure superficielle», a déclaré Zhu. « Les orages se produisent fréquemment, mais leur énergie sismique a été largement ignorée. Notre étude montre que cette énergie peut devenir une source renouvelable et essentiellement gratuite pour sonder le sol. »
Au-delà et au-delà
Zhu a confié à Gizmodo que l’étape suivante de l’équipe est de tester la même méthode dans d’autres lieux et environnements géologiques. Par exemple, des différences dans les caractéristiques physiques de la tempête ou de l’environnement pourraient influencer la qualité et la profondeur de l’image finale. Sur un plan plus fondamental, Zhu espère mieux comprendre les forces électromagnétiques en jeu pour l’énergie sismique associée à la foudre.
Dans l’article, l’équipe a aussi noté que la même méthode pourrait helpfulment aider à explorer des subsurfaces sur d’autres planètes et lunes. Titan de Saturne, par exemple, est connu pour connaître des orages. Les thunderquakes ne remplaceront pas les relevés sismiques conventionnels, a dit Zhu à Gizmodo, mais ils offrent certainement « une source d’information supplémentaire, naturelle et récurrente — surtout dans les endroits où les tremblements de terre sont rares ou où les relevés conventionnels sont difficiles ou coûteux. »
« Le message plus large est que le sol réagit continuellement à l’activité dans l’atmosphère et à la surface », a-t-il conclu. « Des signaux qui autrefois semblaient du bruit peuvent contenir des informations précieuses sur le monde caché sous nos pieds. »
