Pourquoi les scientifiques exploitent les câbles de télécommunications sous-marins ?

Ce sont des câbles de télé­com­mu­ni­ca­tions, uti­li­sés par la com­mu­nau­té scien­ti­fique. Dis­po­sés au fond des océans (notam­ment Paci­fique et Atlan­tique Nord) et le long des côtes, ils per­mettent d’acheminer les télé­com­mu­ni­ca­tions mon­diales. Ils sont lar­ge­ment – mais inéga­le­ment – répar­tis sur la sur­face du globe. Chaque câble sous-marin est com­po­sé d’une quin­zaine de fibres optiques en verre. Nous les détour­nons de leur uti­li­sa­tion de télé­com­mu­ni­ca­tion pour récu­pé­rer de nom­breuses don­nées scien­ti­fiques. Il est aus­si pos­sible de tirer par­ti des câbles sou­ter­rains ter­restres, nous avons un pro­jet en ce sens avec la métro­pole de Nice.

Nous mesu­rons la défor­ma­tion le long du câble, tous les mètres. Nous détec­tons ain­si les ondes sis­mo-acous­tiques, pré­ci­sé­ment celles qui se pro­pagent lors d’un trem­ble­ment de terre. Concrè­te­ment, grâce à cette tech­no­lo­gie, nous avons avec un seul câble l’équivalent de cen­taines de sis­mo­mètres déployés au fond des océans ! Récem­ment, nous avons aus­si mon­tré qu’il est pos­sible de mesu­rer la tem­pé­ra­ture, jusqu’à une sen­si­bi­li­té de l’ordre de 0,001 °C¹. Cette don­née cru­ciale, était jusqu’alors indis­po­nible à ce niveau de détail pour les fonds marins. Elle per­met de mieux carac­té­ri­ser les pro­ces­sus océa­niques comme les ondes internes ou les phé­no­mènes d’upwel­ling (remon­tée des eaux pro­fondes et froides à la sur­face des océans).

Le poten­tiel de cette tech­nique est énorme. Cela révo­lu­tionne notre vision de l’environnement et ses appli­ca­tions sont extrê­me­ment larges. Ce nou­vel outil offre, par exemple, la pos­si­bi­li­té d’imaginer des sys­tèmes de sui­vi en temps réel, ou encore des sys­tèmes d’alerte. Quand on regarde l’histoire des sciences, on constate que les grandes avan­cées sont sou­vent liées à des pro­grès d’observation. Avec les câbles optiques, nous fran­chis­sons un nou­veau cap, cela sug­gère que nous pour­rons déblo­quer de nom­breuses ques­tions scientifiques.

Les océans couvrent les deux tiers de notre pla­nète. Or, nous avons très peu de cap­teurs au fond des océans : il faut déployer des ins­tru­ments au large, puis reve­nir des mois plus tard les récu­pé­rer. Cette méthode four­nit des mesures ponc­tuelles et néces­site beau­coup de logis­tique et de moyens finan­ciers. Les câbles de télé­com­mu­ni­ca­tions sont une oppor­tu­ni­té inouïe de dis­po­ser de nom­breux « cap­teurs » sur les fonds marins ! Avec une mesure tous les quelques mètres le long de chaque câble, la den­si­té de cap­teurs est phé­no­mé­nale et sans pré­cé­dent. En revanche, les longs câbles télé­com – plus de 300 km – sont équi­pés de répé­teurs tous les 70 kilo­mètres envi­ron. A l’heure actuelle, il n’est pas pos­sible de dépas­ser ces répé­teurs et nous enre­gis­trons donc des mesures jusqu’à 70 kilo­mètres des côtes. Le poten­tiel est déjà colos­sal, puisque les enjeux éco­no­miques se concentrent dans cette zone. À l’avenir, je suis cer­tain qu’il sera pos­sible de dépas­ser cette contrainte.

Ces câbles pré­sentent un tas d’avantages. Comme ils sont déjà ins­tal­lés, nul besoin de per­tur­ber plus les fonds marins. Ils sont fiables, dis­po­nibles en conti­nu et en temps réel. En prime, le sys­tème est très peu coû­teux : il repose sur l’installation d’un ins­tru­ment dont le coût s’élève à quelques cen­taines de mil­liers d’euros. Comme il est équi­valent à des mil­liers de cap­teurs, cela équi­vaut à moins de 10 € par cap­teur.  Enfin, la sen­si­bi­li­té des mesures est com­pa­rable à celle des cap­teurs tra­di­tion­nels comme les sismomètres.

La mise en œuvre est très facile : il suf­fit de connec­ter un boî­tier au bout du câble à terre. Ce sys­tème est com­po­sé d’un laser qui émet de la lumière dans le câble. En se pro­pa­geant à l’intérieur de la fibre optique, la lumière ren­contre les petits défauts – d’échelle nano­mé­trique – inévi­ta­ble­ment conte­nus dans le verre de la fibre optique. Ces défauts réflé­chissent la lumière. Le boî­tier enre­gistre cet écho et mesure ain­si le dépla­ce­ment rela­tif des défauts tout au long de la fibre. Ce type de mesure s’appelle DAS, pour détec­tion acous­tique dis­tri­buée (Dis­tri­bu­ted acous­tic sen­sing en anglais). Plu­sieurs fabri­cants pro­posent ces sys­tèmes à la vente. Il existe d’autres solu­tions tech­niques pour uti­li­ser les fibres optiques en tant que cap­teurs, mais la tech­no­lo­gie DAS est de loin la plus répandue.

Dans les années 2010, les pre­miers à mettre en œuvre le sys­tème DAS sont les pétro­liers : ces câbles sont très utiles pour équi­per les forages, car ils sont fins et résis­tants. Mais à ce stade, le câble était spé­ci­fi­que­ment déployé pour la mesure. Les pre­miers à avoir eu l’idée de tes­ter le DAS sur des câbles de télé­com­mu­ni­ca­tions exis­tants sont une équipe amé­ri­caine de l’Université de Cali­for­nie. En 2017, ils publient un article² qui révo­lu­tionne notre approche : ils montrent pour la pre­mière fois, en uti­li­sant la fibre télé­com du cam­pus de Stan­ford, qu’il est pos­sible d’utiliser les câbles télé­com exis­tants pour suivre les séismes. Au sein de notre équipe, nous avons ensuite rapi­de­ment lan­cé de pre­miers essais sur un câble télé­com au large de Tou­lon : nous avons confir­mé la per­ti­nence de ces mesures pour mesu­rer la sis­mi­ci­té régio­nale et la dyna­mique des vagues³.

Ils sont fiables, dis­po­nibles en conti­nu et en temps réel

Pour l’instant, la majo­ri­té des uti­li­sa­teurs aca­dé­miques tra­vaillent dans le domaine de la sis­mo­lo­gie, pro­ba­ble­ment car les sis­mo­logues sont très proches de la com­mu­nau­té géo­phy­sique pétro­lière. Mais d’autres dis­ci­plines com­mencent à s’emparer de la tech­no­lo­gie, et le nombre de publi­ca­tions scien­ti­fiques men­tion­nant la tech­no­lo­gie DAS explose : il est pas­sé de moins de 20 en 2016 à plus de 150 en 2022.

Nous sommes encore dans une phase d’exploration, on ne peut pas dire que de grandes avan­cées scien­ti­fiques ont été per­mises grâce au DAS (pour le moment !). En revanche, nous démon­trons très vite l’intérêt du DAS sur le décryp­tage des signaux. Nous avons prou­vé la per­ti­nence du DAS pour enre­gis­trer les séismes et nous construi­sons désor­mais de nou­veaux cata­logues de séismes, non-détec­tés aupa­ra­vant. Nous avons, par exemple, un pro­jet dans le sud-est de la France et au Chi­li pour équi­per les câbles télé­com et mieux carac­té­ri­ser le risque sis­mique dans la région. Grâce à ces mesures, il sera pos­sible d’améliorer notre com­pré­hen­sion des séismes qui ont lieu en mer – pou­vant être très des­truc­teurs – voire même de les détec­ter en temps réel.

Nous savons désor­mais que le sys­tème est éga­le­ment très utile pour étu­dier la dyna­mique des océans et des tem­pêtes⁴. Les vagues en sur­face génèrent par exemple des vibra­tions que nous détec­tons dans le fond des océans, et nous pou­vons aus­si enre­gis­trer les cou­rants marins pro­fonds. Ces mesures pour­ront être com­plé­tées par les mesures de tem­pé­ra­tures par DAS. Enfin, une équipe nor­vé­gienne vient de démon­trer l’intérêt du DAS en bio­acous­tique⁵. Ils enre­gistrent le chant des baleines et estiment la posi­tion 3D des ani­maux. Les oppor­tu­ni­tés pour mieux com­prendre les inter­ac­tions entre les céta­cés et leur envi­ron­ne­ment sont énormes : com­ment sont-ils affec­tés par le bruit anthro­pique, les mou­ve­ments des masses d’eau… Comme le DAS per­met aus­si de détec­ter les bateaux, il est tout à fait pos­sible d’imaginer la mise en place de sys­tèmes anti-collision.

Anaïs Maréchal