Réduction des risques de catastrophes naturelles

Impact des phénomènes de météorologie spatiale sur la gestion des tremblements de terre 27/12/2014
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OAI : oai:www.see.asso.fr:1301:2014-5:12022

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Réduction des risques de catastrophes naturelles

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        <publicationYear>2014</publicationYear>
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	    <date dateType="Created">Sat 27 Dec 2014</date>
	    <date dateType="Updated">Tue 17 Apr 2018</date>
            <date dateType="Submitted">Tue 19 Jun 2018</date>
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108 REE N°5/2014 QUELQUES APPROCHES INNOVANTES DANS LA PRÉVENTION ET LA GESTION DES RISQUES DOSSIER 2 Introduction La nécessité de prendre des mesures pour limiter les risques associés aux ca- tastrophes (Disaster Risk Reduction), et en particulier aux catastrophes natu- relles (inondations, activités volcaniques, séismes, ouragans, tsunamis etc.), est apparue au cours des années 70 [1]. Si, depuis ce temps, des initiatives sont ré- gulièrement prises pour renforcer les sys- tèmes d'alertes, mettre rapidement en place les cellules de crise, les équipes de sauvetage, la restauration des systèmes de communication affectés par ces ca- tastrophes, etc. il reste indispensable de veiller à l'amélioration de nos connais- sances des facteurs de réduction des risques afin de diminuer à la fois le nombre de pertes humaines et le coût des pertes économiques. Dans son rapport 2013 [2], l’United Nations Office for Disaster Reduction (UNISDR), met l'accent sur deux fac- teurs de réduction des risques : (I) l'identification et l'analyse des causes de catastrophes, et (II) la nécessité d'inté- grer la science aussi bien dans l'élabora- tion des politiques à suivre que dans la gestion des situations d’urgence. C'est dans ce contexte que l'étude présentée ici a été initiée. Cette étude est conduite dans le cadre général de la météorologie spa- tiale (en Anglais Space Weather), qui porte sur les effets des variations de l'ac- tivité solaire sur notre environnement terrestre. L'aspect traité est principale- ment celui de la transmission d'informa- tions pendant la phase initiale de catastrophes comme les tremblements de terre et les tsunamis [3, 4], ce qui est à l'évidence une priorité. Pour des rai- sons de facilité, nous ne considérons ici que les effets d'orages géomagnétiques [5], c'est-à-dire de phénomènes géné- rés par des processus transitoires se pro- duisant dans le vent solaire. De fait, ils sont plus fréquents que les éruptions so- laires (solar flares) et les éjections de masse coronale (Coronal Mass Ejection - CME) et produisent systématiquement des effets globaux plus faciles à traiter. Dans ce contexte, la réduction du risque consiste d'une part à veiller aux anomalies observées, mais non traitées, sur les satellites d'observation, et d'autre part à identifier en temps presque réel les intervalles de temps pendant les- quels les transmissions d'informations sont perturbées ou absentes, la durée de ces intervalles de temps étant liée à l'amplitude des phénomènes de météo- rologie spatiale. Le plan de l'article est le suivant : (I) Les limites des systèmes d'alerte, (II) Classification des phéno- mènes de météorologie spatiale, (III) Météorologie de l'espace et gestion des catastrophes naturelles, (IV) Conclusion. Les limites des systèmes d'alerte Plusieurs types de systèmes d’alerte ont été mis en service ces dernières an- nées ou sont en cours de développe- ment. A l’évidence, toutes les dizaines de secondes gagnées sont autant de pertes humaines et de pertes économiques en moins. Mais, parce que nous avons mis la priorité sur les problèmes de trans- mission d’informations pendant la phase initiale des catastrophes nous Réduction des risques de catastrophes naturelles Impact des phénomènes de météorologie spatiale sur la gestion des tremblements de terre Par François Lefeuvre1 , Tullio Joseph Tanzi2,3 LPC2E, Orléans1 , Institut Mines-Telecom - Telecom ParisTech. LTCI UMR 5141 CNRS2 , URSI commission F 3 The paper deals with the effects of space weather events on disaster management and more speci- fically on satellite networks involved in emergency management. The DART (Deep-ocean Assessment and Reporting of Tsunamis) alert system is shown to be very efficient. However, for moderate to extreme space weather events, the data transmission by satellite may be moderately to severely disturb. More generally, effects of space weather on satellite operations, communication systems and satellite navigation are studied. Observa- tions made over a 3 month time period (01November 2004 - 30 January 2005), have pointed out three types of events: a strong magnitude Earthquake just after an Extreme space weather event, a very strong earthquake at the time of a very small space weather event, and a series of severe space weather events at the time of mode- rate seismic events. Preliminary conclusions are proposed. Recommendations have been made for disaster risk reduction. ABSTRACT REE N°5/2014 109 Réduction des risques de catastrophes naturelles avons choisi de compléter les travaux présentés dans [2] sur l’utilisation du système DART (Deep-ocean Assessment and Reporting of Tsunamis) développé par PMEL (Pacific Marine Environmental Lab, http://nctr.pmel.noaa.gov/Dart/dart_ ref.html) [6, 7]. Le système Pacifique d’alerte de tsu- namis, basé à Hawaï, et plus précisément à Honolulu, est géré par la National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA), qui regroupe les systèmes américains, russes, japonais, chiliens… Au total, 28 pays sont membres du sys- tème Pacifique. Ses objectifs sont de dé- tecter et de localiser les tremblements de terre dans le Pacifique pour déter- miner leurs conséquences (tsunamis) et fournir des renseignements aux pays et populations concernés afin de les prévenir et, autant que possible, les protéger. Des pays comme le Japon, qui est particulièrement exposé, ont mis en place des moyens importants pour la prévention des risques. A cet égard, le système OBS (Ocean Bottom Seismo- graph) permet de détecter les séismes en pleine mer à l’aide de sismographes et d’instruments qui mesurent la pres- sion exercée par l’eau. Les données sont transférées toutes les 20 secondes par câble à des stations de surface, puis par téléphone au Tsunami Warning Center de la Japan Meteorological Agency (JMA) à Tokyo. Il permet de donner l’alerte une heure avant l’arrivée d’un tsunami. Pour compléter ce dispositif, des bouées sont placées stratégiquement en pleine mer. Elles forment le système de stations sous-marines de détection des tsunamis en pleine mer : le système DART (Deep-Ocean Assessment and Reporting of Tsunamis). Ce système, destiné à la détection des tsunamis en eaux profondes, a été mis en place en 1995 par les Etats-Unis, pour protéger leurs côtes. Ce système de prévention est basé sur la détection des change- ments de pression de la mer. Ce sys- tème utilise une bouée et un enregistreur de pression profonde associé au satellite GOES pour transmettre les informations. La bouée comporte plusieurs capteurs météorologiques : anémomètre, baromètre, capteur de salinité de l’eau,... et surtout le matériel nécessaire a la transmission d’infor- mation vers le satellite GOES pour trans- mettre ensuite les informations vers le centre d’alarme des tsunamis située sur l’île d’Hawaï. La figure 1 présente le schéma du système DART. Le capteur essentiel du système DART est l’enregistreur de pression profonde (BPR en anglais, pour Bottom Pressure Recorder). Ce BPR est un appareil de mesure de haute précision qui utilise un transducteur de pression. Ce transduc- teur utilise un mince faisceau de cristal de quartz électriquement induit pour vi- brer à son plus bas mode de résonance. Cet oscillateur est relié à un « tube de Bourdon1 » qui est ouvert à une extrémité sur l’Océan. Lorsqu’une crête de vague de tsunami passe au-dessus du BPR, la pres- sion s’accroît, étirant ainsi le cristal de quartz et augmentant de par la même sa fréquence vibratoire. De même, le pas- sage d’une cuvette réduit la pression permettant au « tube de Bourdon » de se courber plus étroitement, compri- mant le cristal de quartz et abaissant donc sa fréquence vibratoire. Ces changements de fréquence vibratoire du cristal sont mesurés avec une grande précision et ensuite interprétés pour dé- terminer la taille des tsunamis. Pour des périodes supérieures à une minute, et pour des déploiements à des profondeurs d’au moins 5 000 m, ce 1 Le tube de Bourdon est un appareil de mesure de la pression, développé et breveté par l’in- génieur français Eugène Bourdon. Il constitue la base de nombreux types de manomètres. Figure 1 : Le système DART. 110 REE N°5/2014 QUELQUES APPROCHES INNOVANTES DANS LA PRÉVENTION ET LA GESTION DES RISQUES DOSSIER 2 type de capteur est sensible aux change- ments de l’amplitude d’onde de moins d’un millimètre. Le système DART est disposé autour du Pacifique. Sur la carte de la figure 2, on peut localiser les dif- férents éléments de prévention qui l’en compose. Comme indiqué sur la figure 3, chaque station DART comprend : Bottom Pressure Recording), qui est déposé sur le fond océanique pour détecter les varia- tions de pression annonçant un tsunami ; - formations transmises par le BPR via un lien acoustique, puis transmettant les données à un satellite relayant l’in- formation via des stations sol chargées de la renvoyer aux Tsunami Warning Centers de la NOAA et de PMEL. Comme indiqué dans le rapport 2013 de l’UNISDR, le système DART II est ac- tuellement complètement opérationnel. S'il y a eu des victimes lors du tremble- ment de terre du 12 avril 2012 (magni- tude Mw = 8.5), au large du Nord de Sumatra, il est apparu que, par rapport aux forts tremblements de terre obser- vés précédemment, le nombre de vic- times a été considérablement limité. Figure 2 : Localisation approximative des stations DART. Figure 3 : Le système DART II. REE N°5/2014 111 Réduction des risques de catastrophes naturelles Mais, il est évident que lors de forts orages géomagnétiques, les coupures de communication engendrées : d’une part, entre la bouée de surface et le satellite, puis d’autre part, entre le satellite et la ou les station(s) de réception au sol, peuvent poser de sérieux problèmes aussi bien aux équipes de secours qu’à ceux qui attendent des secours. A cet égard, dans un rapport (non daté) du "NOAA Space Weather predic- tion Center" il est indiqué : (I) que si tout avait été fait pour prévenir les satellites de tout incident, on ne pouvait pas assu- rer que ces satellites soient totalement immunes aux variations de l’environne- ment terrestre, et (II) que, depuis 1965, environ 300 anomalies satellites avaient été relevées, le tiers étant attribué à des variations de l’environnement spatial et la plupart des autres étant vraisembla- blement liées à ces mêmes variations. Or, parmi les anomalies relevées, en par- ticulier lors d’orages géomagnétiques, on note deux anomalies susceptibles de rendre les satellites inopérants : de l’atmosphère (résultant par exemple d'un processus de photodissociation – recombinaison mettant en jeu l'oxy- gène), ayant pour effet de freiner les satellites de basse altitude et donc de modifier leur orbitographie ; - lites utilisant le champ magnétique ter- restre dans le calcul de cette orientation. Classification des phénomènes de météorologie spatiale Les indices Kp ont été introduits par Julius Bartels en 1949 pour identifier le niveau des orages géomagnétiques. Ce sont des indices planétaires calculés sur des tranches de trois heures à partir de mesures effectuées par 13 observatoires magnétiques de différents pays opérant entre 44° et 60° de latitude Nord ou de latitude Sud. L’échelle varie de 0 à 9 avec des graduations intermédiaires du type 00, 0+, 1-, 10, 1+, 2-, 20, etc. [8]. Mais la plupart des articles publiés aujourd’hui sur les phénomènes de météorologie spatiale ne tiennent pas compte de ces graduations intermédiaires (voir NOAA Space Weather Scales). Les orages géomagnétiques sont ca- ractérisés par des valeurs de Kp 6. Comme indiqué dans le tableau 1, les événements associés à la météorologie spatiale sont qualifiés de modéré pour Kp = 6, de fort pour Kp = 7, sévère pour Kp = 8 et d’extrême pour Kp = 9. Pour des raisons de facilité ne sont portés dans le tableau 1 que les effets des phé- nomènes de météorologie spatiale por- tant sur : les opérations satellitaires, les communications LF (30-300kHz) et HF (3-30 MHz), et la navigation par satellite. Les principaux effets des variations des orages géomagnétiques sur les sa- tellites sont présentés dans le document "NOAA Space Weather Scale" et résu- més dans le tableau 1. Les points les plus importants sont les suivants : - tion satellite qui peuvent être corrigées à partir du sol, (II) un freinage potentiel des satellites de basse altitude, et (III) des communications HF qui peuvent être réduites aux hautes latitudes ; - tion qui peuvent être corrigées à partir du sol, (II) un freinage plus important des satellites de basse altitude, (III) des communications HF potentielle- ment intermittentes, et (IV) des per- turbations des systèmes de navigation par satellite LF, qui permettent de défi- nir la position d'un mobile (terrestre, aérien ou maritime) ; - fets décrits pour Kp = 6 et 7 (par exemple les communications HF de- Météo spatiale Opérations satellitaires HF (3 – 30 MHz) LF (30 - 300 kHz) Extrême (Kp = 9) 4 événements par cycle solaire ( 11 ans) Problèmes potentiels sur : - le suivi des opérations - l’orientation* - les réceptions et les transmissions du signal - le suivi satellitaire (dont orbitographie) Dans de nombreuses zones, perte possible de communications HF pendant un ou deux jours. Dégradation possible de la navigation par satellite, sur plusieurs jours. La navigation par satellite peut être interrompue pendant plusieurs heures Sévère (Kp = 8) 100 événements par cycle solaire Problème potentiel sur : - le suivi des opérations - l’orientation* - le suivi satellitaire (dont orbitographie) Communications radio sporadiques. Dégradation de la navigation par satellite sur plusieurs heures. La navigation par satellite peut être limitée Fort (Kp = 7) 200 événements par cycle solaire Problème potentiel sur : - l’orientation* - le suivi satellitaire (dont orbitographie) Les communications radio peuvent être intermittentes Des problèmes peuvent se poser pour la navigation par satellite Modéré ( Kp = 6) 600 événements par cycle solaire Problème potentiel sur : - l’orientation * - le suivi satellitaire (dont orbitographie) Les communications radio peuvent être atténuées aux hautes latitudes Tableau 1 : Météorologie spatiale - Effets des orages géomagnétiques, et plus précisément de la variation de l’indice Kp, sur : les opérations satellitaires, les communications HF et la navigation par satellite en HF et en LF. ( * Les satellites dont l’orientation tient compte du champ magnétique terrestre sont susceptibles de problèmes d’orientation). 112 REE N°5/2014 QUELQUES APPROCHES INNOVANTES DANS LA PRÉVENTION ET LA GESTION DES RISQUES DOSSIER 2 viennent sporadiques), avec en plus, pendant plusieurs heures, des perturba- tions (voire pour les basses fréquences des interruptions) des systèmes de navi- gation par satellite. - portés plus haut, des problèmes : (I) de liaisons montantes/descendantes, (II) de suivis des satellites, (III) d’interrup- tions des propagations radio HF dans de nombreuses zones, pouvant aller jusqu’à deux jours, (IV) de dégradations de la navigation par satellites sur plu- sieurs heures (LF) voire sur plusieurs jours (HF). N’ont pas été pris en compte ici les systèmes d’alimentation à bord des satellites, et le “spacecraft charging” produit par le bombardement de parti- cules chargées sur la surface du satel- lite, qui sont également susceptibles de poser problème lorsque la valeur de l’indice Kp augmente. Météorologie de l’espace et gestion de catastrophes naturelles Afin de mieux comprendre l’impact des phénomènes de météorologie spa- tiale sur la gestion de catastrophes na- turelles, une étude a été conduite sur trois mois, pendant une période de forte activité sismique (1er novembre 2004- 31 janvier 2005). Elle a permis de mettre en évidence trois types d’événements ca- ractérisés par la distribution de leurs val- eurs de l’indice Kp et par la magnitude des secousses sismiques observées. Les va- leurs de l’indice Kp sont tirées des ta- bles mensuelles du « Service International des Indices Géo-magnétiques (SIIG) de l’ISGI ». Elles sont interprétées à partir de l’échelle “NOAA Space Weather Scale” de la “National Oceanic and Atmospheric Administration”, qui va de Kp = 5 (phénomène « mineur ») à Kp = 9 (phénomène « extrême »). Par ailleurs, la liste des événements sismiques a été ex- traite du Catalog=ANSS (Google: ANSS Catalog search), les magnitudes relevées étant autant que possible des moments magnétiques Mw. L’analyse a été conduite à partir de données journalières ayant un pas de trois heures. Les trois types d’événement étudiés sont ceux du 7 au 11 novembre 2004, du 22 au 27 décem- bre 2004, et du 7 au 21 janvier 2005. L’événement du 7 au 11 novembre 2004 est présenté sur la figure 4. C’est celui qui, a priori, pose le plus de ques- tions. Entre le 7 et le 10 novembre 2004, on observe en effet des valeurs de Kp allant de 8 à 9, c’est-à-dire des variations de l’environnement terrestre allant de sévères à extrêmes. Les com- munications radio, les opérations satel- lites (dont l’orientation) et la navigation par satellite sont interrompues pendant un ou deux jours. Le déclenchement d’un séisme (de magnitude 7.5) juste après, en l’occurrence le 11 décembre, empêche toute intervention pendant un ou deux jours (voir tableau 1). Le point susceptible de poser ques- tion est celui de l’observation du séisme juste après les pics de météorologie spatiale. Mais, comme expliqué dans [9], et dans de nombreux autres articles, des mécanismes séismo-ionosphériques semblent être à l’origine de variations ionosphériques qui se produisent avant le déclenchement de tremblements de terre. Les évènements du 22 au 27 dé- cembre 2004, et du 7 au 21 janvier 2005, sont quant à eux plus faciles à comprendre. Comme on peut le noter sur la figure 5, les séismes de magni- tude 8,1 puis 9,1, qui sont observés entre le 23 et le 26 décembre, se sont déclenchés dans une période de mé- téorologie spatiale plutôt calme (Kp 4). Si la magnitude des deux tremblements de terre a sans nul doute causé de nom- breux dégâts au sol, les systèmes satel- lite n’ont très probablement pas été perturbés. Des interventions rapides ont été possibles. Par ailleurs on notera que, compte tenu des conditions météorolo- giques, les mécanismes séismo-ionos- phériques évoqués plus haut ne se produisent pas. En ce qui concerne les observations faites entre le 7 et le 23 janvier (figure 6 et tableau 2), on ob- serve que les phénomènes de météoro- logie spatiale observés les 7 et 8 janvier n’ont probablement peu ou pas pertur- bés les opérations satellites et les inter- Figure 4 : Variation des indices Kp et des Magnitudes entre le 7 et le 11 novembre 2004. REE N°5/2014 113 Réduction des risques de catastrophes naturelles ventions d’équipes de secours, ce qui n’est très probablement pas le cas les 18 et 19 janvier d’une part et le 21 jan- vier d’autre part. Le nombre et la magni- tude des nombreuses répliques ne permettent pas d’identifier des phéno- mènes éventuels de mécanismes séismo-ionosphériques. Conclusion Les travaux présentés ici s’inscrivent dans le cadre des effets des orages géo- magnétiques sur la gestion des catas- trophes naturelles et plus précisément sur la gestion des effets liés aux tremble- ments de terre et aux tsunamis qu’ils sont susceptibles d’engendrer. Le pré- sent document a porté sur trois aspects : (I) le système d’alerte DART utilisé actuellement pour détecter et localiser les tremblements de terre et les tsuna- mis, (II) les effets des phénomènes in- duits par la météorologie spatiale pendant la phase initiale de catas- trophes comme les tremblements de terre, (III) l’impact des phénomènes de météorologie spatiale sur la gestion de catastrophes naturelles et plus particu- lièrement sur la gestion des tremble- ments de terre et de leurs répliques et (V) les moyens éventuels pour réduire le risque. Les principales conclusions à tirer sont pour l’essentiel : - riations temporelles de l’indice Kp et de l’activité sismique, pour des évalua- tions rapides des dégâts susceptibles d’être provoqués au sol, du déclenche- ment des alertes, et du niveau d’inter- vention ; les systèmes DART, sous réserve du moins que les satellites recevant le si- gnal d’alerte, puis le transmettant au sol, ne soit pas perturbé par des phé- Figure 5. Variation des indices Kp et des Magnitudes entre le 22 et le 27 décembre 2004 Dates Kp max (24 h) Mw max (24h) 06 01 2005 07 01 2005 08 01 2005 09 01 2005 10 01 2005 11 01 2005 12 01 2005 13 01 2005 14 01 2005 15 01 2005 16 01 2005 17 01 2005 18 01 2005 19 01 2005 20 01 2005 21 01 2005 22 01 2005 23 01 2005 3 8 7 3 3 4 5 4 5 4 3 6 8 7 5 8 6 4 6.0 6.1 6.8 6.0 6.6 6.1 6.1 6.6 6.0 6.4 6.3 Tableau 2 : Trois intervalles de temps (en rouge) avec des valeurs de Kp fortes (7) et sévères (8), nombreuses « répliques » de magnitudes allant de 6,0 à 6,6. Figure 6 : Variation des indices Kp et des Magnitudes entre le 6 et le 23 janvier 2005. 114 REE N°5/2014 QUELQUES APPROCHES INNOVANTES DANS LA PRÉVENTION ET LA GESTION DES RISQUES DOSSIER 2 nomènes de météorologie spatiale d’indices Kp 6 ; - nements sismiques, conjugués à de fortes valeurs de Kp (principalement 8 et 9), qui multiplient aussi bien les dégâts au sol que les temps de coupure des opérations satellites, des communica- tions radio et des navigations par satellite. Par ailleurs, l’observation de séismes, juste après de fortes variations de la mé- téorologie spatiale, semble être liée à des mécanismes du type séismo-ionos- phérique à l’origine de variations ionos- phériques qui se produisent juste avant le déclenchement de tremblements de terre. En ce qui concerne les moyens à mettre en œuvre pour réduire les risques, il semble pour le moins souhaitable : - leurs de l’indice Kp, pour identifier les intervalles de temps pendant lesquels les communications peuvent être per- turbées ou coupées, et d’étudier la façon de transmettre cette information aux équipes de secours et aux personnes sur place pour réduire « le risque » ; spatiales à prendre en compte les ano- malies satellites actuellement non trai- tées. Références [1] B. Wisner, P. Blaikie, T. Cannon & I. Davis, 2004. At risk: Natural ha- zards, People’s Vulnerability and Disasters (2nd ed.). London and New York: Routledge. [2] Using science for Disaster Risk Re- duction, Report of the UNISDR Sci- entific and Technical Advisory Group - 2013. [3] Case Study 1, Tsunami Warning and Mitigation for the Indian Ocean Region, Report of the UNISDR Sci- entific and Technical Advisory Group, pp. 14, 15, 2013. [4] F. Lefeuvre, TJ. 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Liu, Ionospheric total electron content variations prior to the 2008 Wenchuan earthquake, International Journal of Remote Sensing, Vol. 31 (13), 3545-3557, 2010. LES AUTEURS François Lefeuvre a commencé ses travaux de recherche au Labo- ratoire de géophysique spatiale de Saint-Maur-des-Fossés puis au Space Physics Department de l’Uni- versité de Sheffield. Entré au CNRS en 1972, il a poursuivi ses travaux de recherche à Orléans, avec un passage d’un an (1979/1980) au “Radio Science Group” de l’Uni- versité de Stanford. Principal ou co-investigateur d’expériences em- barquées sur des satellites russes et européens, il a dirigé pendant 10 ans le Laboratoire de physique et chimie de l’environnement d’Orléans. En parallèle, il a été pen- dant trois ans “Chair” du Working- Group de l’ESA sur la météorologie spatiale, puis président de l’Union radio scientifique internationale (URSI) pendant six ans. Il est ac- tuellement directeur de recherche émérite au CNRS. Tullio Joseph Tanzi est professeur, depuis 2005, au sein de l’Institut Mines Télécom, Télécom ParisTech. Ses recherches portent sur la thé- matique des télécommunications et du risque. Il a été professeur au sein de l’Ecole nationale supé- rieure des télécommunications de Bretagne – Institut des applications avancées de l’Internet, à Marseille, où il a été responsable de l’option Transports intelligents de 2002 à 2005. Auparavant, il a enseigné à l’Ecole nationale supérieure des mines de Paris, au sein du Centre de recherche sur les crises et les risques (CRC), à Sophia Antipolis (1998-2002). Il est membre de l’Union radio scientifique internatio- nale (URSI), commission F « Propa- gation & télédétection ».