Le froid fouettant un champ de l'Alabama en ce matin d'hiver efface la chaleur, forçant lentement les doigts et les orteils engourdis.

Sous un terne, ciel couvert, Des chercheurs de l'Université du Mississippi traversent un pâturage humide juste au nord de Huntsville, braver le gel et vérifier un ensemble de 12 capteurs que les scientifiques du Centre national d'acoustique physique de l'UM utilisent dans leurs recherches sur la détection et le suivi des tornades.

Chaque capteur se compose d'une batterie marine de 12 volts, panneau solaire, pare-brise bombé, le câblage nécessaire et un dispositif conçu par UM qui enregistre les signaux infrasoniques, ou infrasons—signaux acoustiques à des fréquences inférieures à ce que les humains peuvent entendre. On sait depuis un certain temps que les tornades génèrent ces sons à basse fréquence, bien que le mécanisme exact de cette production ne soit pas compris.

Mais les chercheurs de l'UM espèrent qu'en "entendant" les tornades à travers les infrasons, ils pourraient développer une technologie pour révolutionner la détection et le suivi des tornades, et améliorer considérablement les méthodes d'alerte aux tornades.

"Le radar ne détecte pas les tornades, " dit Roger Waxler, chercheur principal au Centre national d'acoustique physique, ou NCPA, et professeur agrégé de recherche en physique et astronomie à l'UM. "Les longueurs d'onde sont trop longues, et ils sont tournés vers le haut. Les tornades sont actuellement détectées à vue. Les services météorologiques utilisent des spotters (personnes). Le radar montre la rotation à grande échelle dans les tempêtes qui peuvent engendrer des tornades mais ne le font pas toujours.

"Ces réseaux particuliers sont déployés spécifiquement pour la recherche sur la détection et le suivi des tornades. La géométrie des réseaux est adaptée aux signaux émis par les tornades."

Même avec l'évolution de la technologie météorologique, détecter et suivre les tornades est une tâche presque impossible. Mais tandis que les tornades surgissent de façon imprévisible des nuages ​​qui s'assombrissent, les violentes tempêtes laissent une marque distincte et des dommages durables lorsqu'elles traversent un paysage.

A l'échelle nationale, plus de 24, 400 tornades ont été signalées depuis 2000, selon les Centres nationaux d'information environnementale. Ces tornades ont tué près de 1, 500 personnes et a causé des milliards de dollars de dégâts.

Le dimanche de Pâques (12 avril) et jusqu'au petit matin du lundi, une série de tornades vicieuses ont encore une fois frappé des parties du pays, tuant une vingtaine de personnes dans le Sud, dont au moins 11 dans le Mississippi, et la destruction d'innombrables maisons et bâtiments.

Le Mississippi a été cousu par plus de 2, 700 tornades depuis le 1er janvier 1950, selon la base de données des événements de tempête, qui est maintenu par la National Oceanic and Atmospheric Administration, ou NOAA. Ces tornades, une moyenne de près de 39 par an, ont fait environ 500 morts, plus de 6, 750 blessés et quelque 2,8 milliards de dollars de dommages matériels.

« La recherche sur les infrasons sur les tornades qui se déroule à la NCPA a le potentiel d'avoir un impact significatif dans notre région et à travers le pays, " a déclaré Josh Gladden, Vice-chancelier de l'UM pour la recherche et les programmes parrainés. "Le plus important, il a le potentiel d'augmenter et d'améliorer les systèmes d'alerte précoce dans nos communautés, qui pourrait sauver des vies.

"Un autre impact significatif, cependant, est le potentiel d'obtenir beaucoup plus de données de suivi des tornades que les scientifiques n'en ont actuellement. Cela devrait conduire à une meilleure compréhension des conditions qui déclenchent spécifiquement les tornades et des chemins qu'elles suivent."

Infrasons au sol

Le groupe infrasons du NCPA, dirigé par Waxler, a commencé à examiner l'utilisation des infrasons, qui est généralement généré par les tornades, ouragans, interactions et explosions atmosphère-océan, il y a deux décennies comme moyen de détecter les essais clandestins d'armes nucléaires.

Depuis, le travail s'est étendu à d'autres domaines, y compris la surveillance de l'intensité des ouragans le long de la façade atlantique, la criminalistique des événements explosifs, le sondage des vents dans la haute atmosphère et la recherche sur les tornades, qui a commencé en 2011 avec des baies déployées en Oklahoma.

La recherche actuelle de détection et de suivi des tornades, intitulé « Détection par infrasons des tornades, " a commencé en 2017 et est financé par la NOAA par le biais des prix n° NA17OAR4590168 et NA18OAR4590305.

Rejoindre Waxler dans le projet est Garth Frazier, chercheur principal à la NCPA et professeur agrégé de recherche en génie électrique à l'UM, et Carrick Talmadge, également chercheur principal à la NCPA et professeur agrégé de recherche en sciences et troubles de la communication.

« Au cours des deux ou trois dernières années, nous avons été en mesure de démontrer de manière cohérente la capacité de détecter et de suivre avec précision les tornades qui se sont produites dans le nord de l'Alabama avec des réseaux de capteurs aussi éloignés que (62 miles), " a déclaré Frazier.

"Nous essayons toujours de rassembler suffisamment de données pour mieux comprendre ce qui provoque la génération du son et comment garantir que ce que nous entendons est causé par une tornade et pas seulement par un phénomène lié aux orages. Cependant, nous sommes convaincus que le son que nous avons détecté et suivi n'est pas du tonnerre."

Le trio est soutenu dans cette recherche par plusieurs membres du personnel d'Ole Miss, car le travail d'exploration de la façon de détecter et de suivre les tornades est bien plus que de simplement planter un réseau dans un champ et d'attendre de collecter des données. Un travail acharné est impliqué, avec beaucoup de conduite.

C'est pourquoi un vendredi glacial de février, Hank Buchanan et Brian Carpenter, deux ingénieurs recherche et développement chez NCPA, sont regroupés contre un vent violent alors qu'ils traversent un pâturage à la station de recherche agricole Winifred Thomas de l'Université Alabama A&M.

Les 12 capteurs de cette baie, planté à côté d'un bourdonnement, autoroute très fréquentée sur une partie des 972 acres de la station à Hazel Green, ne sont qu'un groupe de sept qui ont été déployés cette saison dans une ligne coupant grossièrement du nord de la Louisiane au nord de l'Alabama.

Généralement, 8 à 10 baies sont déployées chaque saison, avec des emplacements s'étendant parfois jusqu'au coin nord-ouest de la Géorgie ou étant plus proches de la maison, comme à la station de terrain UM, au nord-est du campus Ole Miss dans le comté de Lafayette. Chaque réseau se compose généralement d'environ huit capteurs.

Le choix d'un emplacement de tableau exact est délicat, dit Buchanan. Les emplacements indésirables incluent les zones susceptibles d'être inondées - l'eau plus l'électronique équivaut à des capteurs morts. Les zones assez ouvertes fournissent l'ensoleillement nécessaire pour alimenter les capteurs, mais parfois des créatures curieuses, comme les mulots, mâcher à travers le câblage. Le vol de matériel est assez rare, et c'est généralement juste une batterie.

Parfois, l'emplacement d'un tableau correspond simplement à l'endroit où les chercheurs peuvent obtenir la permission de l'installer, ce qui peut être un obstacle lorsqu'il s'agit de terres privées. Les baies sont discrètes mais nécessitent un entretien, Cela signifie donc un bon accès et parfois des réseaux mobiles à partir des principaux emplacements de chasse.

« D'année en année, nous pouvons utiliser les mêmes sites si le propriétaire est d'accord et qu'il n'y a pas de problèmes avec un site particulier, " Buchanan a déclaré. "L'idée générale est de positionner les réseaux de manière à maximiser nos chances qu'au moins un réseau soit suffisamment proche pour capturer les données acoustiques d'une tornade si elle devait se produire quelque part dans la région.

« Il est également avantageux que plusieurs baies obtiennent des données sur le même événement. Cette norme, ainsi que la tendance générale des tempêtes à se déplacer d'ouest en est dans notre région, nous a laissé une ligne s'étendant d'ouest en est à travers le nord de l'Alabama comme zone de prédilection pour déployer les réseaux."

Collecter les données

Les données des matrices sont collectées environ toutes les six à huit semaines, qui fournit également un temps pour les réparations nécessaires. D'habitude, cela signifie que Buchanan et un autre membre du personnel ou chercheur de la NCPA traversent les champs et les forêts de feuillus de la vallée de la rivière Tennessee. En ce premier vendredi, Carpenter accompagne Buchanan.

Le couple gare le Ford F-250 du centre d'acoustique sur un chemin de terre au large de l'US 431 et se met au travail à la station de recherche agricole. Sur leur liste de contrôle se trouve le téléchargement des données de deux événements tornades récents dans la région, et les 12 capteurs doivent être vérifiés.

De l'un des premiers boîtiers de batterie, Carpenter secoue une souris qui s'était enfouie dans la boîte pour se protéger du froid. Certains capteurs ont des piles mortes, Ainsi, les gants se détachent et le travail complexe de déconnexion et de reconnexion des fils est terminé avant que les doigts ne se raidissent à cause de l'air glacial.

Après une heure et demie dans les éléments, le travail est terminé. Un rapide déjeuner mexicain est consommé - Buchanan et Carpenter pensent que l'un des avantages de ce travail et des longs trajets est de manger dans différents restaurants pendant leurs voyages.

Environ 60 miles de retour vers le Mississippi et la chaleur de la maison, la paire vérifie une autre rangée entre Hillsboro et Moulton sur un nœud de butte dans une boue, route d'argile rouge près de l'église Old Time Gospel Fellowship.

Ces tableaux sont problématiques pendant l'été car ils sont généralement envahis par le kudzu, mais l'hiver a bruni le kudzu et stoppé sa croissance. Au printemps et en été, l'effeuillage de la végétation implique des contrôles plus fréquents.

"Ce qui était autrefois une zone avec un ensoleillement abondant peut être complètement recouvert d'ombre en quelques jours à cette période de l'année, " Carpenter a déclaré. " Les batteries que nous utilisons dureront environ 10 jours au plus sans que la lumière du soleil n'atteigne les panneaux solaires.

« Lorsqu'il fonctionne correctement et bénéficie d'un ensoleillement idéal de six heures par jour, le système électrique fonctionnera indéfiniment s'il n'est pas perturbé."

Bien qu'aucun animal ne mâche le câblage sur cette colline solitaire de l'Alabama, les dômes protégeant les capteurs des éléments les plus agressifs offrent également des zones pratiques et un peu sèches pour les fourmis de feu. Un capteur est immergé dans un lit de fourmis de feu, mais les insectes piqueurs ont abandonné ce monticule pour un inconnu, probablement plus chaud, endroit.

Télécharger les données des capteurs individuels signifie trouver le Wi-Fi, même au milieu d'apparemment nulle part. Les capteurs spécialement créés sont conçus pour enregistrer avec précision les signaux infrasoniques et les enregistrer à 1, 000 échantillons par seconde. Une référence temporelle précise est fournie par le GPS.

Les données brutes des capteurs ne sont rien de plus qu'une ligne ondulée, mais cette ligne est riche en informations.

« Une fois les données transférées sur un ordinateur, il peut être traité à l'aide d'algorithmes personnalisés qui détectent quand et où se trouvent les tornades, " dit Frazier. " A l'avenir, si la technologie s'avère viable, ce processus peut être entièrement automatisé pour fournir des informations en temps réel."

Chaque batterie sur cette colline doit être remplacée, mais le jour s'est réchauffé; le travail avance vite, et bientôt, le duo se dirige vers l'ouest sur le chemin de 160 miles vers Oxford.

Que ce passe t-il après

Les travaux de détection et de suivi des tornades des chercheurs d'Ole Miss ont conduit à des articles dans des publications telles que The Journal of the Acoustical Society of America, et plusieurs apparitions orales, y compris plus tôt cette année lors de la 100e réunion de l'American Meteorological Society à Boston.

Le travail est également apparu dans les médias nationaux, comme le Washington Post. Et les chercheurs ont fait des apparitions sur le podcast WeatherBrains et The Weather Channel pour parler de l'étude.

Il reste du travail à faire, bien que. Plus d'enquête. Plus de données. Mais les premiers résultats sont prometteurs.

"Nous avons démontré que la détection et le suivi des tornades à l'aide de leurs émissions d'infrasons est faisable, " Waxler a déclaré. "Nous étudions actuellement le mécanisme physique par lequel les infrasons sont émis par une tornade, et nous analysons les données des tempêtes non tornades pour voir s'il existe des signaux infrasons qui pourraient produire des faux positifs.

"Je crois qu'avec un financement continu, cette recherche aboutirait à des systèmes d'alerte opérationnels dans un délai d'environ cinq ans."

Pendant ce temps, les dizaines de capteurs mis en place par les chercheurs de l'UM reposent sous des dômes blancs. Dans les champs en Louisiane ou sur les coteaux en Alabama, les baies collectent silencieusement des données qui pourraient sauver des vies à l'avenir.