découvrir l’empreinte sismique du balancement des arbres induit par le vent – ​​Methods Blog

Message fourni par Josefine Rundt.

Nous sommes un groupe de géophysiciens, de mathématiciens et d’écologistes qui parlent normalement des langages scientifiques très différents. Ce projet nous a réunis autour d’une curiosité commune : les instruments et outils d’analyse initialement développés pour l’étude des tremblements de terre pourraient-ils aussi nous aider à comprendre comment les arbres se déplacent sous l’effet du vent ? Le résultat, L’empreinte sismique du balancement des arbres induit par le ventest né de conversations entre des sismologues habitués à lire les vibrations du sol et des écologistes étudiant la biomécanique des arbres et les réponses des forêts au stress climatique. Il s’agit d’une expérience véritablement interdisciplinaire, reliant les mondes des vibrations profondes de la Terre et les structures arborescentes vivantes et flexibles de la surface.

De la biomécanique des arbres aux ondes sismiques

Lorsque le vent plie un arbre, le mouvement se poursuit sous terre. Chaque balancement envoie de faibles vibrations à travers le sol, de minuscules secousses qui peuvent être captées par les mêmes sismomètres utilisés pour enregistrer les tremblements de terre.

Notre idée était simple mais non conventionnelle : au lieu de considérer ces tremblements comme un « bruit » gênant, nous avons demandé si nous les traitions comme un signal, un moyen de surveiller la mécanique des arbres et éventuellement leur état physiologique à travers le sol lui-même ?

Comprendre comment les arbres réagissent au stress environnemental nécessite d’examiner à la fois leur fonction interne et leur comportement mécanique. Les capteurs physiologiques tels que les débitmètres de sève, les dendromètres ou les sondes de potentiel hydrique des feuilles montrent comment le transport de l’eau et la croissance réagissent aux conditions changeantes, tandis que les accéléromètres révèlent comment les arbres se déplacent physiquement et se plient sous le vent. Ensemble, ces mesures décrivent comment un arbre à la fois se sent et réagit à son environnement, mais les combiner à grande échelle s’est avéré difficile. Dans notre étude, nous avons testé si des capteurs sismiques pouvaient compléter ces approches. En détectant les faibles vibrations que les arbres transmettent au sol, les sismomètres peuvent capturer des informations similaires à celles des accéléromètres, mais sans qu’il soit nécessaire de fixer des capteurs aux arbres. Alors que nous nous concentrons ici sur la reproduction des signaux de balancement mécaniques, cette méthode pourrait éventuellement aider à relier la surveillance physiologique et biomécanique, une étape vers l’observation conjointe de la fonction et de la stabilité des arbres, sur des parcelles forestières entières.

L’expérience de terrain en Forêt-Noire

Nous avons testé cette idée dans un stand mixte sur le site ECOSENSE en Forêt-Noire, en Allemagne. Des sismomètres à large bande enfouis dans le sol ont enregistré le mouvement du sol tandis que des accéléromètres fixés aux troncs d’arbres ont capturé le balancement direct. Les données éoliennes et météorologiques complètent le tableau.

En combinant le filtrage spectral, l’analyse de cohérence et des modèles d’apprentissage automatique, nous avons identifié des bandes de fréquences dominées par le mouvement des arbres, ce que nous appelons le empreinte sismique. Cette empreinte digitale contient des informations sur la manière dont les arbres interagissent avec le vent, et même sur la manière dont ces interactions diffèrent selon les espèces et les formes structurelles.

Ce que nous avons trouvé

–Fréquences de balancement distinctes : Chaque arbre présentait une fréquence de résonance claire (généralement autour de 0,2 à 0,3 Hz), visible à la fois dans les données sismiques et accélérométriques.
–Dynamique spécifique à l’espèce : Le hêtre et le douglas présentaient des différences caractéristiques en termes d’amortissement et de fréquence de résonance, qui pouvaient être identifiées directement dans les données sismiques et s’expliquaient en grande partie par les différences de hauteur des arbres et de diamètre du tronc (DBH).
–Mise à l’échelle structurelle : Le rapport diamètre/hauteur au carré (DBH/H²) est fortement corrélé à la fréquence de balancement du signal sismique, montrant que de simples traits géométriques peuvent prédire la façon dont les arbres se déplacent dans le vent.
–Prévisibilité du vent : En utilisant uniquement les caractéristiques sismiques, nous avons pu estimer de manière fiable la vitesse du vent, démontrant ainsi que les vibrations du sol elles-mêmes contiennent de riches informations sur le mouvement des arbres et le forçage environnemental.

Ces résultats confirment que les données sismiques sont porteuses d’informations à la fois environnementales et biomécaniques. En un sens, le sol devient le miroir de la forêt qui le surplombe.

Une étape prudente vers la détection de la sécheresse

L’une des perspectives les plus passionnantes mais aussi les plus délicates consiste à utiliser l’empreinte sismique pour détecter un stress physiologique, comme la sécheresse. Dans notre article, nous restons prudents : nous n’avons pas observé directement les effets de la sécheresse dans cet ensemble de données, mais nos résultats mettent en évidence des mécanismes clairs et testables.

La sécheresse devrait influencer le mouvement des arbres en modifiant le comportement d’amortissement et en modifiant les fréquences de résonance, par exemple en raison de la perte des feuilles, d’une turgescence réduite ou de modifications de la masse du couvert forestier. Les futures études combinant des mesures sismiques avec des indicateurs indépendants de l’état de l’eau, tels que le débit de sève ou le potentiel hydrique des feuilles, seront essentielles pour tester ce lien.

Si elles sont confirmées, les signatures sismiques pourraient offrir un indicateur précoce et non invasif du stress dû à la sécheresse, révélant de subtils changements biomécaniques avant qu’ils ne deviennent visibles dans la canopée.

Pourquoi c’est important

Alors que le changement climatique intensifie à la fois les perturbations mécaniques (tempêtes, vents violents) et le stress physiologique (sécheresse), les forêts sont confrontées à des risques croissants. Surveiller la façon dont les arbres se plient, s’humidifient et se rétablissent peut en dire long sur leur résilience.

Nos résultats suggèrent que l’empreinte sismique du balancement des arbres n’est pas seulement un sous-produit du mouvement mais un signal écologique précieux. Avec un développement ultérieur, cette approche pourrait contribuer à la surveillance à long terme des forêts et aux systèmes d’alerte précoce fondés sur les principes de la sismologie environnementale.

Les sismomètres offrent une solution moins invasive et plus évolutive que les capteurs biomécaniques traditionnels, permettant une surveillance continue de plusieurs arbres sur des parcelles, voire des régions entières.

La route à suivre

Nos prochaines étapes consistent à :

– Combinez les mesures sismiques et physiologiques pour étudier comment la sécheresse et d’autres facteurs de stress affectent le mouvement des arbres.
-Tester l’approche sur davantage d’espèces, de types de sols et de climats pour déterminer la généralité.
-Intégrer la surveillance sismique avec d’autres outils tels que le LiDAR ou la télédétection pour l’observation forestière à plusieurs échelles.
-Développer des flux de travail open source afin que les écologistes puissent extraire les empreintes sismiques des réseaux sismiques existants.

À terme, la détection sismique pourrait faire partie d’une nouvelle boîte à outils interdisciplinaire pour la surveillance des forêts, fusionnant l’écologie, la mécanique et la géophysique.

Pensées finales

Réunir des sismologues, des mathématiciens et des écologistes nous a mis au défi de repenser ce que chaque discipline considère comme un « signal ». Ce qui constitue désormais un bruit de fond dans les données sismiques pourrait, après un examen plus approfondi, révéler le rythme tranquille des arbres dans le vent. Notre expérience montre que ces vibrations ne sont pas aléatoires, mais véhiculent des informations sur la manière dont les forêts interagissent avec leur environnement.

La Terre elle-même, semble-t-il, détient un enregistrement discret de la façon dont les arbres se balancent et peut-être qu’à l’avenir, ces signaux cachés pourraient être filtrés et étudiés pour nous aider à détecter quand les forêts commencent à se débattre.

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Article édité par Standiwe Nomthandazo Kanyile.