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Cassini, la descente finale

Une mission exceptionnelle

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Qui est touché par la maladie d'Alzheimer ?

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Vers un nouvel outil de génie génétique

Que sont les ARN circulaires ?

L'ARN, acide ribonucléique constitué principalement d'un seul brin de nucléotide, est une molécule non codante ou participant à l'expression du

Observation directe d'une exoplanète

L'instrument Sphère et ses techniques de détection

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La microfluidique pour réduire la pollution

La physique de la microfluidique

La microfluidique, science des fluides au niveau du micromètre, est apparue au début des années 2000. Les phénomènes mettant en jeu les fluides existent partout dans la nature, ...

L'accélération de l'expansion de l'Univers

Le modèle cosmologique à l'épreuve

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Un tamis moléculaire plus performant et vert

La purification du gaz naturel

Le gaz naturel extrait du sol a besoin que l'on élimine l'eau et le dioxyde de carbone qu'il contient, afin que seul le

Dévier les astéroïdes géocroiseurs

Quels astéroïdes nous menacent ?

Les astéroïdes sont des corps rocheux errant dans l'espace, d'un diamètre compris entre dix mètres et mille kilomètres. Plusieurs millions d'entre eux gravitent dans le système solaire, notamment entre Mars et Jupiter dans la ceinture principale d'astéroïdes, ou encore, dans la ceinture de Kuiper au-delà de Neptune. Par le jeu des perturbations gravitationnelles, leur trajectoire les fait parfois croiser notre orbite, auquel cas on les appelle des géocroiseurs. Lorsqu'il pénètrent dans l'atmosphère et atteignent la surface, il s'agit de météorites.

Comme les comètes, les astéroïdes ont contribué à l'apparition de la vie sur Terre en y apportant de l'eau et des matériaux organiques, mais ils ont aussi provoqué des destructions, directement par leur impact ou indirectement par leurs effets sur le climat et les écosystèmes. Le risque d'être touché par un astéroïde est faible à l'échelle d'une vie humaine, mais certain sur la durée, avec des effets dévastateurs s'il tombe sur une zone densément peuplée.

La communauté scientifique parvient aujourd'hui à surveiller 90% des objets célestes de plus de 1 kilomètre, 30% des astéroïdes de 160 mètres et plus et 1% des corps de plus de 30 mètres, ces derniers pouvant détruire une ville. Les efforts s'accroissent pour mieux les recenser et développer des missions permettant de réagir à leur éventuelle venue. Leur potentiel de dangerosité est classé selon l'échelle de Turin, graduée de 0 à 10, 10 signifiant une collision frontale avec la planète.

Trois techniques pour dévier un astéroïde

Pour se protéger d'une collision dangereuse, il faut s'adapter aux risques possibles. Ainsi, pour les astéroïdes de taille inférieure à 50 mètres avec un temps d'impact très court, la seule possibilité est de prédire le point d'impact et d'évacuer la zone concernée. Si l'objet est plus gros ou le temps avant l'impact plus long, trois techniques sont à l'étude pour faire dévier l'astéroïde et éviter la collision.

Pour les astéroïdes de taille inférieure à cinquante mètres avec un temps d'impact suffisant, la méthode du tracteur gravitationnel consiste à envoyer un assemblage assez massif de satellites artificiels près de l'astéroïde. La force de gravitation va alors modifier la vitesse et la trajectoire de l'astéroïde, l'envoyant sur une orbite différente de celle de la planète. Cette solution, qui nécessite des modélisations et des calculs très poussés, n'existe pour l'instant qu'à l'état de théorie.

Pour les astéroïdes de taille comprise entre cinquante mètres et plusieurs centaines de mètres, la technique de l'impacteur cinétique consiste à envoyer une fusée heurter à très grande vitesse l'astéroïde, à un endroit et avec une vitesse précise. La mission américano-européenne AIDA mettra à l'épreuve cette solution, avec l'engin autoguidé baptisé DART. En 2022, il devra percuter la lune de l'astéroïde Didymos, afin d'observer la réaction de l'objet céleste.

Pour les astéroïdes de taille supérieure à un kilomètre, la solution envisagée est de lancer une ogive nucléaire dans l'espace pour la faire exploser à proximité de l'astéroïde. Le risque est de générer plusieurs morceaux au comportement imprévisible, qui pourraient donc être plusieurs à percuter la planète en suivant leur nouvelle trajectoire. Seuls des travaux de simulation étudient cette idée, car les objets de grande taille sont quasiment tous identifiés et ne posent aucun problème pour les siècles à venir.

En savoir plus

Une sonde à l'assaut d'un astéroïde, sur Sciences en ligne

La journée mondiale des astéroïdes, sur Explorathèque

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Mesure participative de la qualité de l'air
Un projet vise à collecter des données sur la qualité de l'air grâce à des capteurs individuels et des smartphones.

La nécessité de mesures plus nombreuses

Face à la multiplication des pics de pollution ces derniers mois, la nécessité d'évaluer en temps réel la qualité de l'air, mesurée à partir de la concentration en différents éléments parmi les plus nocifs, s'impose toujours davantage. De plus, les informations recueillies par des organismes régionaux, comme AIRPARIF en Île-de-France, ou ATMO dans les Hauts-de-France, proviennent de sources trop éloignées, spatialement ou temporellement, les unes des autres. À cause de cela, les prévisions sur les évolutions des concentrations en polluants se révèlent généralement imprécises. Dans la région des Hauts-de-France, un consortium de laboratoires de recherche, d'associations et d'organismes régionaux a décidé de s'attaquer à ce problème. De là est né le projet OSCAR.Son principe est de faire participer la population à l'évaluation de la qualité de l'air.

Des boîtiers connectés pour l'acquisition des données

L'idée de cette initiative est d'équiper des volontaires de boîtiers d'acquisition constitués de capteurs mesurant la concentration en différents polluants de l'atmosphère environnante et de smartphones.

Les capteurs légers et peu encombrants se connectent par exemple via Bluetooth, à un smartphone ou à une tablette numérique. Cette solution économique permet de faire appel aux étudiants des lycées techniques et IUT de la région pour fabriquer les capteurs et assembler les boîtiers selon un modèle fourni par un laboratoire de la région, le LISIC.

Grâce à eux, la diffusion d'une masse critique de boîtiers fonctionnels est assurée. Les données obtenues viales équipements connectés des particuliers serviront à établir une carte extrêmement précise de la qualité de l'air. Mais, avant d'en arriver là, de nombreux obstacles doivent être surmontés.

Étalonnage et géolocalisation

Pour tracer une carte de pollution, il faut disposer simultanément de données sur la qualité de l'air suffisamment précises et d'un positionnement exact du lieu où a été prise chaque mesure. On voit là l'intérêt d'utiliser des appareils mobiles comme les smartphones : ils sont équipés de GPS, ce qui permet de transmettre en même temps les données sur la qualité de l'air et la localisation du mobile.

Mais plusieurs problèmes se posent alors. Comment garantir que les informations de géolocalisation sont suffisamment précises pour certifier l'exactitude du rendu final ? Et cette étape de positionnement des différents appareils est loin d'être la contrainte principale. Rien ne permet en effet d'affirmer a priori que deux appareils, situés au même endroit, enregistreront les mêmes valeurs. On appelle étalonnage des capteurs la phase de réglages permettant d'assurer ce dernier point. Or, il est impossible de r éaliser cette calibration au cours de la fabrication des composants, en raison du mode de fabrication retenu. On doit donc l'effectuer a posteriori, à distance et sans avoir un contrôle total sur l'environnement d'utilisation du capteur, c'est pourquoi on parle d'étalonnage aveugle.

Focus sur le problème de Netflix

La réalisation de cette étape est analogue, d'un point de vue mathématique, à ce qui est connu comme le problème de Netflix, du nom du fameux site internet répertoriant des films et des séries. L'idée est de trouver un moyen de proposer les meilleures recommandations de film à un utilisateur donné. Pour cela, Netflix disposait initialement d'évaluations de 17 770 films par 480 189 internautes, chaque évaluation correspondant à l'attribution d'un nombre de 1 à 5. Or, chaque utilisateur n'a noté qu'un tout petit nombre de films : au départ, on ne connaissait que 100 480 507 évaluations parmi plus de 8 milliards possibles. Le problème consistait donc à compléter une matrice de taille 480 189 × 17 770 dont on connaissait seulement moins de 1% des valeurs, qui correspondent aux évaluations connues. Pour en revenir à notre problème, les internautes sont les analogues des endroits précis où ont été effectuées les mesures et les évaluations correspondent aux données étalonnées. On veut donc construire une matrice C, ou plutôt une de ses approximations ?, dont chaque ligne correspond à une localisation et chaque colonne à un polluant étudié. La valeur indiquée dans une case de la matrice représentera donc la quantité exacte d'un élément toxique en un point parfaitement repéré.

Pour calculer ces dernières quantités, on a recours à une technique appelée factorisation de matrices. Le principe est de déterminer deux matrices, notées U et F respectivement. F sera la matrice d'étalonnage : chacune de ses lignes représentera le capteur, et ses colonnes correspondront aux différents polluants. La valeur dans une case sera la fonction à appliquer à la mesure inexacte, effectuée par un capteur donné sur un polluant lui aussi donné, pour obtenir la valeur exacte. Quant à U, elle donne les capteurs présents en un point donné. Grâce à la formule ? = U . F, on peut compléter en même temps les trois matrices.

Ce problème de complétion de matrices a été programmé informatiquement grâce à des algorithmes de plus en plus rapides : une implémentation de 2013 permettait de compléter en 3 secondes une matrice de taille 100 x 1000 avec une précision relative de 10-5.

Des mesures à l'exploitation

Les informations obtenues par les smartphones sont transmises à une plateforme par Internet. Les données sont d'ailleurs anonymisées grâce à la plateforme APISENSE, de l'INRIA, pour respecter la vie privée des volontaires. Les techniques de traitement mathématiques exposées précédemment permettent d'étalonner les capteurs au fur et à mesure que les données sont collectées.

Après ce traitement, la collection d'informations mobiles issues du crowd-sensing est intégrée avec les mesures réalisées par des stations atmosphériques du réseau ATMO au sein d'une base de données.

Ce nouveau traitement permet de construire des modèles, comme des cartes géographiques, où l'on peut repérer les concentrations anormales de polluants, et découvrir presque en temps réel leurs déplacements.

Cette approche ouvre de nombreuses perspectives en matière de suivi des flux de polluants et de prévision des risques environnementaux. Une initiatie qui n'aurait jamais été réalisable sans les plus récentes avancées mathématiques et informatiques...

En savoir plus

Sur les acteurs du projet

Sur la complétion de matrices (en anglais) ou avec cet article

Aurore Sallard
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