Physicien et arboriculteur, il étudie le destin des gouttes de pluie

Quel rapport entre la recherche en physique des milieux granulaires et la culture des pommes à Féchy? Pour répondre à cette question, il faut s’adresser à Bertil Trottet. Car ce chercheur à l’EPFL, qui vient de cosigner dans Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) un article intitulé Sandball genesis from raindrops (“La genèse de billes de sable à partir de gouttes de pluie”), est également en train de reprendre l’exploitation arboricole familiale. Sur 45 hectares de la Côte vaudoise, les Trottet y cultivent des pommes (Gala, Braeburn, Boskoop Jazz…), mais aussi des poires et de la vigne.

Cette conjonction entre recherche et agriculture, deux activités menées de front, a façonné chez Bertil Trottet un regard singulier sur la recherche et ses applications concrètes. La recherche, menée entre l’EPFL et l’Université de Pennsylvanie, s’attaque à une question apparemment élémentaire: que devient une goutte d’eau après avoir frappé un sol sec? Jusqu’ici, les modèles d’érosion se sont concentrés presque exclusivement sur l’instant de l’impact. Or, l’article démontre que, sur des pentes sèches, certaines gouttes rebondissent, roulent et s’agrègent en petites billes de sable capables d'entraîner jusqu’à dix fois plus de matière que lors de l’impact initial. Une quantité de sédiments bien plus importante qu’on ne l’imaginait. Ce mécanisme pousse à revoir la manière dont on envisage l’érosion des sols, en particulier dans les environnements arides ou montagneux.

Pour cet entretien, Bertil Trottet nous accueille dans ses “Vergers de Féchy”, entre les rangs de pommiers. Ici, ces questions prennent une résonance particulière: le rapport au sol, à sa stabilité et à sa perte éventuelle, n’y est pas que théorique.

Votre article part d’une question très simple: que se passe-t-il lorsqu’une goutte de pluie touche un sol sec. Pourquoi cette question vous semblait-elle encore ouverte?
Les bonnes questions sont souvent les plus simples (sourire). Jusqu’ici, l’essentiel des travaux se concentrait sur l’impact et le splash qui suit. On observait ce qui se passe au moment où la goutte frappe le sol, mais très peu ce qui se produit juste après. Or, dans certaines conditions, la goutte ne disparaît pas: elle rebondit, reste compacte et se met à rouler. Cette phase post-impact avait été largement négligée, alors qu’elle peut jouer un rôle déterminant dans le processus d’érosion.

Qu’est-ce qui vous a conduit à regarder précisément ce qui se passe après l’impact?
L’idée est née d’une observation très simple, lors d’une promenade en montagne après un épisode de pluie. Avec mon collègue Hugo Ulloa (ndlr: cosignataire de l’article), nous avons vu des petits agrégats se former et se déplacer sur une pente sableuse. De mon côté, je travaillais sur les avalanches, et l’analogie avec les boules de neige qui grossissent en roulant s’est imposée assez naturellement. On a eu la conviction qu’un mécanisme similaire devait exister avec du sable et de l’eau — et surtout qu’il était à notre portée de l’observer et de le quantifier.

Vous montrez que certaines gouttes forment des boules de sable qui roulent et s’agrègent. Qu’est-ce qui vous a le plus surpris dans ce phénomène?
Le fait que le phénomène soit si net et que nous puissions le reproduire si systématiquement. Nous avions une hypothèse assez claire de ce qui pouvait se passer, mais la richesse des formes observées a largement dépassé nos attentes. En particulier, l’apparition de deux morphologies distinctes — que nous appelons “cacahuètes” et “donuts” — a été une vraie surprise. La formation spontanée d’une structure torique, avec un trou au centre, n’avait jamais été observée dans ce contexte.

Dans certains cas, une seule goutte peut déplacer jusqu’à dix fois plus de sédiments qu’au moment de l’impact…
Cela montre que l’impact n’est que le début de l’histoire. Si l’on ne prend en compte que le splash, on sous-estime fortement la quantité de matière réellement mobilisée. Ce mécanisme est donc critique au début des épisodes pluvieux, sur des sols secs et en pente, où il n’y a pas encore de ruissellement. Il pourrait jouer un rôle préliminaire à des phénomènes plus massifs par la suite.

Vos expériences se font sans ruissellement. Dans quels contextes naturels ce mécanisme est-il pertinent?
On le rencontre surtout dans des environnements arides ou semi-arides, mais aussi en montagne, sur des pentes raides. Les observations de terrain montrent que ces conditions existent réellement, par exemple au tout début d’une pluie après une période sèche. C’est aussi dans ces contextes que l’on cherche à mieux comprendre l’amorce de phénomènes comme les laves torrentielles, où de grandes quantités de sédiments se retrouvent soudainement mises en mouvement.

Vous êtes aussi arboriculteur. En quoi ce regard de terrain influence-t-il votre manière de poser ces questions scientifiques?
Avant d'être arboriculteur ou chercheur, je me vois comme un "concepteur de projets". Le contact direct avec le concret, le terrain, le sol et les éléments nourrit l’imagination et fait émerger les idées. L’expérience et les difficultés permettent ensuite d’affiner ces intuitions autour de projets et de le réaliser.

Vos recherches pourraient-elles trouver des applications commerciales?
Aujourd’hui, pour produire des agrégats — des engrais, des granulés alimentaires ou même certains bonbons — on utilise surtout des procédés mécaniques, comme des tambours en rotation, qui consomment beaucoup d’énergie et génèrent de la poussière. Avec le mécanisme que nous observons, on pourrait simplement utiliser la gravité et des gouttes pour former des agrégats de manière très contrôlée. On pourrait, en théorie, produire des particules de taille et de forme bien définies, sans friction excessive et sans pertes. C’est encore très exploratoire, mais je pense qu’il y a du potentiel.

Vous avez réalisé une thèse sur les avalanches. Quel lien faites-vous entre ces travaux et l’étude des billes de sable?
Dans les deux cas, on s’intéresse à des matériaux granulaires et à des transitions rapides entre des états solides et fluides. La neige, lorsqu’elle se fracture, devient un matériau granulaire dont le comportement est étonnamment proche de celui du sable. Ici, nous avons fait tout l'inverse (rire): avec du sable nous avons naturellement créé des assemblages solides. Ce sont ces seuils, ces changements d’état et ces dynamiques à différentes échelles qui m’intéressent.

Plus largement, qu’est-ce que ce travail vous a appris sur la manière dont des phénomènes simples façonnent les paysages?
Qu’il n’y a pas besoin de mécanismes spectaculaires pour produire des effets majeurs. Des processus très simples, répétés à l’infini — comme une goutte qui roule et agrège quelques grains — peuvent, à grande échelle, contribuer à modeler durablement les paysages. C’est cette continuité entre le microscopique et le macroscopique qui rend ces phénomènes si fascinants. Comme Coco Chanel, Léonard de Vinci ou Antoine de Saint-Exupéry, je trouve une certaine élégance dans cette recherche de simplicité.