Notre nouveau modèle d’intelligence artificielle permet de prévoir les ondes de tempêtes extrêmes – ces rehaussements importants du niveau de la mer sur le littoral causés par les vents d’une grande dépression – avec une grande précision, y compris dans les conditions climatiques futures. Ce modèle d’IA fonctionnant rapidement, il peut aider les chercheurs et les professionnels à mieux évaluer les risques d’inondation côtière, et à mieux planifier les mesures d’adaptation.

Le niveau de la mer monte, et avec lui, les risques liés aux événements côtiers extrêmes tels que les ondes de tempête – des élévations temporaires du niveau de la mer causées principalement par des tempêtes, qui comptent parmi les principaux facteurs à l’origine des inondations côtières. Alors que plus de 10 % de la population mondiale vit dans des régions côtières de faible altitude, la combinaison d’une élévation progressive du niveau moyen de la mer et d’événements extrêmes de plus en plus intenses représente une menace croissante.

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Pour les urbanistes et les décideurs politiques chargés des zones côtières, l’enjeu principal ne réside pas seulement dans l’élévation prévue du niveau moyen de la mer, mais aussi dans l’évolution des événements extrêmes, que ce soit en matière de probabilité ou de gravité. En effet, la conception des infrastructures, l’urbanisme et la préparation aux catastrophes reposent sur des scénarios, établis scientifiquement, de tels événements extrêmes.

Cependant, la projection d’événements extrêmes liés au niveau de la mer reste un défi scientifique majeur, car ceux-ci sont le résultat d’interactions complexes et non linéaires entre les marées, les forçages atmosphériques, la dynamique océanique et les caractéristiques côtières locales.

Cela signifie que les incertitudes dans les projections de ces événements extrêmes restent en grande partie non quantifiées. Par exemple, de petites différences dans les hypothèses des modèles peuvent entraîner de grandes différences dans les résultats prévus, en particulier pour les événements extrêmes. Ces incertitudes ont des implications importantes pour les planificateurs, la protection civile et, en fin de compte, la protection des vies humaines et des biens.

À l’heure actuelle, l’efficacité des modèles d’IA ouvre de nouvelles possibilités. En effet, comme ceux-ci peuvent générer des prévisions beaucoup plus rapidement que les modèles basés sur les lois physiques, ils permettent d’explorer de vastes ensembles de scénarios futurs, ce qui serait d’un coût prohibitif si l’on utilisait uniquement des modèles traditionnels (basés sur la physique). Considérer de nombreux scénarios est particulièrement important pour évaluer les risques, car il s’agit de comprendre la probabilité d’événements rares mais catastrophiques.

Une approche combinant IA et physique pour un risque en mutation

Les modèles traditionnels fondés sur la physique, qui utilisent les lois physiques pour représenter le mouvement des eaux côtières, peuvent simuler ces processus en détail, mais ils sont coûteux en matière de calcul, ce qui rend difficile l’exploration d’un large éventail de scénarios futurs et d’incertitudes.

Parallèlement, les systèmes d’intelligence artificielle sont de plus en plus utilisés en sciences du climat, car ils offrent de nouvelles possibilités pour surmonter ces défis.

Cependant, leur fiabilité reste incertaine dans ce contexte, notamment en raison de deux défis majeurs : la représentation limitée des événements extrêmes rares mais à fort impact dans les données d’apprentissage, et la nécessité de généraliser les résultats – de manière robuste – à des conditions climatiques futures qui pourraient différer considérablement de celles observées historiquement.

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L’IA et la modélisation physique sont des outils complémentaires : les modèles physiques restent essentiels pour représenter les processus sous-jacents et pour générer les données de haute qualité nécessaires à l’entraînement et à la validation des modèles d’IA, et, en fin de compte, pour instaurer la confiance dans leur homologue IA.

En combinant le réalisme physique des modèles traditionnels avec l’efficacité et la flexibilité de l’IA, les scientifiques développent une nouvelle génération d’outils pour l’évaluation des risques côtiers.

Ces outils seront essentiels pour éclairer les stratégies d’adaptation, aidant les sociétés à mieux se préparer à un avenir où les événements extrêmes liés au niveau de la mer pourraient devenir plus fréquents et plus graves.

Nos résultats suggèrent que l’IA peut être utilisée de manière fiable pour prévoir des événements extrêmes liés au niveau de la mer, rares mais à fort impact. De plus, les modèles d’IA, en permettant la génération rapide de scénarios et des tests de sensibilité, fournissent un nouvel outil pour mieux caractériser ces incertitudes.

Un nouvel « émulateur » d’IA pour la prévision des ondes de tempêtes extrêmes

Dans notre récente étude publiée dans Earth’s Future, nous avons cherché à déterminer si des modèles d’IA peuvent prédire avec précision des événements extrêmes liés au niveau de la mer, lorsqu’ils sont entraînés à émuler les résultats de simulations et de projections fondées sur la physique. En d’autres termes, nos modèles d’IA visent à apprendre à reproduire les résultats de ces modèles plus complexes, mais beaucoup plus rapidement.

Nos résultats montrent que les émulateurs d’IA parviennent à appréhender la dynamique complexe sous-jacente aux ondes de tempête et à reproduire les événements extrêmes avec une grande précision, y compris dans des scénarios futurs, par rapport aux projections disponibles jusqu’au milieu du XXIᵉ siècle.

Pour le démontrer, nous avons développé un cadre permettant d’améliorer la capacité des modèles d’IA à représenter les ondes de tempêtes extrêmes et de vérifier si leurs prévisions restent fiables dans des scénarios futurs.

Nous nous sommes concentrés sur la zone côtière de New York comme étude de cas, car elle est très exposée aux inondations côtières, avec une population dense, des infrastructures critiques et des actifs économiques majeurs – et parce qu’elle a connu des ondes de tempêtes dévastatrices dans l’histoire récente, comme lors de l’ouragan Sandy en 2012, qui a causé de nombreux décès et plus de 60 milliards de dollars (51,9 milliards d’euros) de dommages économiques.

Notre émulateur d’IA s’appuie sur des simulations fondées sur la physique (qui sont issues du Global Tide and Surge Model (GTSM), librement accessibles) non seulement pour l’entraînement, mais aussi pour évaluer sa fiabilité dans différentes conditions climatiques, y compris des scénarios futurs.

Limites actuelles et prochaines étapes

La prochaine étape consiste à tester plus en profondeur la robustesse de ces outils d’IA sur un éventail plus large de scénarios climatiques et à les intégrer dans des cadres opérationnels d’évaluation des risques ainsi que dans des services mondiaux de données climatiques fournissant des informations hydroclimatiques et côtières aux décideurs, tels que l’Aqueduct Flood Risk Analyzer et le Copernicus Climate Data Store.

Plus largement, les modèles d’IA ont le potentiel de répondre à plusieurs besoins critiques en matière d’analyse des risques côtiers, mais d’importantes lacunes subsistent.

Il s’agit notamment d’améliorer et de quantifier rigoureusement leur transférabilité à travers un large éventail de scénarios futurs, de mieux représenter les incertitudes associées aux paramètres physiques intégrés dans les données d’apprentissage, et d’évaluer dans quelle mesure ces modèles se généralisent à différentes localisations géographiques.

Il sera essentiel de clarifier les limites de leurs capacités d’extrapolation pour renforcer la confiance dans leur utilisation à des fins de prise de décision, en particulier dans des conditions inédites, dues au changement climatique et à la non-stationnarité (c’est-à-dire les changements de régimes climatiques et des phénomènes extrêmes plus intenses que ceux observés auparavant), et qui se situent donc en dehors de la fourchette couverte par les observations passées ou les simulations fondées sur la physique que nous avons utilisées pour entraîner les modèles d’IA.

Le mécénat scientifique d’AXA fait désormais partie du Fonds Axa pour le progrès humain, qui regroupe les engagements philanthropiques du Groupe et des mutuelles d’assurance Axa dans les domaines de la science, de la nature, de la solidarité et de la culture. Avant 2025, ce mécénat scientifique global était assuré par le Fonds Axa pour la recherche, qui a soutenu plus de 750 projets à travers le monde depuis sa création en 2007. Pour en savoir plus, rendez-vous sur Fonds Axa pour le progrès humain.

Andrea Ficchì a reçu une bourse de recherche postdoctorale du Fonds AXA pour la Recherche (aujourd'hui Fonds Axa pour le progrès humain) dans le cadre de l'appel à candidatures lancé conjointement par le Fonds AXA pour la Recherche et la Commission Océanographique Intergouvernementale de l'UNESCO à l'occasion de la Décennie de l'Océan.

Emiliano Longo est membre de la CMCC Foundation (Euro-Mediterranean Center on Climate Change). Il a reçu des financements de Politecnico di Milano.

Avant les fleurs. Enquête scientifique aux origines des plantes est le fruit d’une collaboration entre Yoan Coudert, un chercheur spécialiste du développement et de l'évolution des plantes, et Louise Joor, une autrice de bande dessinée. Le résultat est un bel ouvrage, paru chez CNRS Éditions, qui parle de façon pédagogique et agréable d’une partie du règne végétal que l’on ignore et méconnaît souvent : les plantes sans fleurs. Elles sont minoritaires aujourd’hui en nombre d’espèces, mais elles existaient bien avant les plantes à fleurs et enchantent toujours de nombreux milieux naturels, comme les tourbières.

Dans cet extrait, les auteurs nous aident à comprendre comment ces plantes se reproduisent, sans fleurs, justement.

Très attractives, les fleurs n’ont pas exercé leurs charmes que sur les insectes, les botanistes aussi y ont succombé. Jusqu’à la fin du XVIIIᵉ siècle, l’attention qu’on leur portait était si grande qu’on ignorait presque tout de l’anatomie des autres plantes. On pensait par exemple que mousses et fougères étaient dépourvues d’organes reproducteurs.

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En 1789, Johannes Hedwig se penche sur l’intimité des mousses. Ses découvertes vont provoquer une véritable révolution… Il révèle, pour la première fois, leurs discrets organes sexuels. Avec leurs comparses fougères et algues, cette discrétion leur a longtemps valu d’être classées parmi les plantes cryptogames, ce qui signifie littéralement « sexualité cachée », par opposition aux phanérogames comme les plantes à fleurs, dont la sexualité est apparente et parfois même exubérante. En 1851, une seconde révolution va avoir lieu grâce, cette fois, à Wilhelm Hofmeister. Il n’a alors que 26 ans et se trouve à la tête d’un magasin de musique. Pendant son temps libre, il est botaniste amateur et s’applique à étudier les plantes et compare en particulier les étapes du développement d’espèces différentes. On ne juge pas, chacun ses passions !

Il observe d’abord que, chez les mousses, l’organe sexuel femelle se forme à la pointe des tiges feuillées, celles-là mêmes qu’on rencontre sous forme de paquets compacts et verts sur les murs et toits de nos maisons. Cet organe qui ressemble à une bouteille contient à sa base une cellule : la cellule sexuelle ou le gamète femelle. D’autres tiges feuillées portent à leur pointe les gamètes mâles. Par extension, on appelle gamétophyte la phase du cycle de vie qui porte les gamètes. Chez les mousses, la tige feuillée verte est donc le gamétophyte. Il est visible à l’œil nu et persiste toute l’année, c’est la forme dominante de leur cycle de vie.

Le gamète mâle, un spermatozoïde à deux flagelles, féconde le gamète femelle ce qui produit le zygote. Celui-ci se divise un grand nombre de fois pour engendrer une fine tige souvent marron et haute de quelques centimètres, sans feuilles ni branches, terminée par une petite capsule produisant les spores. Cette deuxième phase du cycle de vie s’appelle pour cette raison le sporophyte. Les spores germeront pour engendrer un nouveau gamétophyte, le cycle recommence.

Hofmeister, qui a l’œil affûté, observe que, chez les fougères, l’organe sexuel femelle ressemble aussi un peu à une bouteille. La similarité avec les mousses est frappante, mais il relève deux différences fondamentales. D’abord, la structure qui le porte est minuscule. Ce gamétophyte, appelé prothalle, ressemble à un fin voile vert pas plus gros qu’une pièce de monnaie. Difficile de le voir dans la nature. Ensuite, après fécondation, le zygote des fougères n’arrête plus de grandir et devient une plante feuillue d’une dizaine de centimètres de hauteur, voire plusieurs mètres pour les fougères arborescentes. Les spores sont empaquetées dans de petits sacs sous les feuilles. La plante feuillue est donc le sporophyte.

En étudiant d’autres familles de plantes, Hofmeister conclut que leur cycle de vie comporte toujours deux phases qui alternent. Cette découverte aura de fortes implications dans notre compréhension de l’évolution des plantes sur Terre. Pour résumer, l’une des phases est appelée le sporophyte, rudimentaire chez les mousses et autres bryophytes, bien plus élaboré chez les fougères et leurs cousines lycophytes. Chez les gymnospermes et angiospermes, il constitue quasi intégralement la partie des plantes que nous connaissons. Arbres, arbustes, herbes, etc., sont des sporophytes.

L’autre phase est nommée le gamétophyte. Il constitue la majeure partie du cycle de vie des bryophytes mais est réduit chez les fougères, et ne compte que quelques cellules chez les gymnospermes et angiospermes.

Les algues vertes font leur cycle de vie sous forme de gamétophyte et le sporophyte est limité au zygote qui entre immédiatement dans un processus de division spécifique. Mais contrairement aux mousses, tout se passe à l’intérieur. Il germera ensuite pour engendrer un nouveau gamétophyte.

Ce livre a été illustré par Louise Joor, autrice belge de bandes dessinées. Elle s’est fait connaître dès 2014 avec le premier album de sa série Kanopé (Delcourt).

Yoan Coudert a reçu des financements de l'ANR et du Human Frontier Science Program.

Chaque jour sur les chantiers et dans les usines, de nombreux travailleurs s’exposent au bruit et aux vibrations provoqués par leurs outils. La recherche étudie ces phénomènes pour, à terme, diminuer les risques au travail.

En France, plus de 2 millions de travailleurs sont exposés à des vibrations des bras et des mains, un facteur important de troubles de santé au travail. Les outils de chantier, tels que les cloueuses, les agrafeuses ou les marteaux-piqueurs, couramment utilisés dans les secteurs de la construction et de l’industrie, génèrent de manière répétée des chocs de forte intensité susceptibles d’affecter la santé des personnes qui les manipulent.

Dans ce contexte, je mène une thèse en vibrations et acoustique, dont l’objectif est d’estimer les forces générées lors des impacts produits par les outils percussifs.

Je m’intéresse en particulier aux cloueuses professionnelles, qui enfoncent un clou en quelques millisecondes, en libérant des forces très élevées, et qui exposent les travailleurs à la fois à des vibrations et à un bruit intense. L’enjeu est de mieux comprendre ces sollicitations mécaniques afin d’en évaluer plus précisément les effets sur la santé, encore largement sous-estimés.

Des risques professionnels pour de nombreux travailleurs

Du point de vue de la santé et de la sécurité au travail, les chocs répétés générés par les outils portatifs représentent un risque avéré. L’impact produit un niveau de vibration suffisamment élevé pour dépasser les seuils de précaution définis par les réglementations du Parlement européen. L’exposition répétée à ces sollicitations peut entraîner des conséquences graves sur la santé, notamment le syndrome vibratoire main-bras, qui regroupe des troubles vasculaires, neurologiques et musculosquelettiques.

Les premiers symptômes apparaissent souvent sous forme de fourmillements, d’engourdissements ou d’une perte de sensibilité dans les doigts, avant d’évoluer vers des douleurs chroniques, une diminution de la force de préhension ou des troubles circulatoires comme le phénomène des « doigts blancs ». Ces atteintes peuvent devenir irréversibles et compliquer durablement l’utilisation des mains dans les activités quotidiennes et professionnelles.

En plus de vibrer, les cloueuses font du bruit. Leur usage peut atteindre 12 000 tirs par jour, conduisant à un niveau sonore d’environ 101 décibels (dB) pendant huit heures. En France, les enquêtes sur les conditions de travail montrent que plus d’un tiers des salariés sont exposés à des nuisances sonores dans leur environnement professionnel. Parmi eux, une part non négligeable est soumise à des niveaux de bruit dépassant les seuils d’action de 80 et 85 dB définis par le Code du travail. Ces expositions concernent principalement les secteurs industriels et de la construction. Une exposition prolongée peut ainsi conduire à la surdité professionnelle.

Un bruit impulsionnel, c’est-à-dire une forte intensité sonore pendant un temps très bref, est reconnu comme plus dommageable pour l’audition qu’une exposition sonore progressive de même niveau, en raison de la contrainte brutale qu’elle impose à l’oreille. Les protections auditives permettent de réduire fortement cette exposition, mais leur port reste parfois mal appliqué dans les conditions réelles de chantier.

Le port de bouchons d’oreilles provoque également un effet d’occlusion, c’est-à-dire une augmentation de la perception des sons transmis par le corps, pouvant gêner la communication et accroître l’inconfort des travailleurs. Mieux comprendre cet effet et ses conséquences sur l’acceptabilité des protections auditives constitue également un axe de recherche important de notre laboratoire. Les vibrations transmises au corps sont, elles, beaucoup plus difficiles à atténuer.

Comment mesurer la force des outils ?

Lors de chaque tir de cloueuse, le choc se propage dans l’outil, puis dans la main et le bras de l’opérateur, tout en mettant en mouvement la cloueuse et le matériau percuté. Ces vibrations se transmettent également à l’air environnant, produisant un bruit intense. Il existe une grande diversité de technologies de cloueuses, ce qui rend nécessaire une approche comparative pour comprendre leurs spécificités.

Dans ce contexte, la détermination de la force d’impact de la cloueuse constitue un élément central, car elle représente le point de départ de l’ensemble des phénomènes vibratoires et acoustiques. En pratique, il est impossible de placer des instruments de mesure directement sur les interfaces de contact de l’outil, du fait de la puissance du choc. Nous avions envisagé de placer un capteur entre la poignée et la main, mais il modifie la prise en main de l’outil par l’utilisateur et donc les conditions réelles d’utilisation. Du côté de la pièce clouée, l’instrumentation directe est tout aussi problématique : le tir d’un clou dans un capteur de force n’est pas envisageable, et les essais en tir à blanc ne se sont pas révélés représentatifs.

Nous avons donc estimé les efforts mécaniques à partir de mesures indirectes, en captant les vibrations du matériau à proximité du point d’impact. À partir de ces mesures, nos méthodes de calcul permettent de remonter à la force générée lors du choc, afin d’en déterminer l’intensité et son évolution au cours du temps. Les développements récents dans ce domaine ainsi que les travaux menés au cours de la thèse ont permis d’améliorer significativement la reconstruction de l’allure et de l’amplitude des forces d’impact, rendant possible la visualisation de sollicitations extrêmement brèves.

Faire évoluer les normes et la conception des outils

Dans le cas des outils de chantier, la connaissance de la force d’impact permet de prédire le bruit généré par n’importe quelle structure percutée, ce qui correspond à l’une des principales sources sonores auxquelles les travailleurs sont exposés. Par ailleurs, l’estimation de la force transmise à la poignée de l’outil aide à mieux comprendre la manière dont les vibrations se propagent dans la main et le bras de l’utilisateur, afin de relier les vibrations générées par l’outil à leurs effets sur le corps humain.

L’enjeu est désormais de structurer et de diffuser ces connaissances afin de comparer les outils, d’alimenter l’évolution des normes de sécurité et d’orienter les pratiques industrielles. Par exemple, une norme internationale ISO, qui encadre l’évaluation des vibrations des cloueuses professionnelles, a déjà été révisée une première fois en 2022 afin d’améliorer la représentativité des mesures.

Les avancées du projet de recherche visent également à développer un banc de test simple à mettre en œuvre et facilement reproductible. Le dispositif de substitution de l’opérateur développé par l’Institut de recherche Robert-Sauvé en santé et en sécurité du travail (Québec-Canada) pourrait permettre aux fabricants de quantifier eux-mêmes l’exposition au bruit et aux vibrations générée par leurs outils. À terme, ces approches, transposables à d’autres équipements, permettront d’étendre cette compréhension à l’ensemble des outils de chantier.

La recherche, en développant des méthodes pour estimer les forces générées lors du clouage, permet de mieux comprendre à la fois le bruit produit par les impacts et les vibrations transmises à l’utilisateur. Ces travaux contribuent ainsi à une évaluation plus précise de l’exposition des travailleurs et participent à l’évolution des méthodes de prévention et des normes de sécurité.

Quentin Malidain a reçu des financements de MITACS & l'IRSST (bourse d'étude).