Le mystère des dunes chantantes du désert, expliqué

Introduction

Dans les années 1270, un jeune Vénitien a traversé le désert à l’est de la ville-oasis de Lop, sur la bordure sud du Taklamakan, et a entendu le sable chanter : le grondement étrange et bourdonnant de ce que nous appelons aujourd’hui une dune de sable chantante, ou qui gronde. Marco Polo l’a consigné des années plus tard, dans une cellule de prison génoise, en le dictant à un codétenu. Le voyageur qui prenait du retard sur la caravane après la tombée de la nuit, disait-il, entendait des voix qu’il prenait pour celles de ses propres compagnons, qui l’appelaient parfois par son nom, et il les suivait hors de la piste jusqu’à se perdre, et l’on ne le revoyait jamais. En plein jour, le désert en faisait autant. Des hommes entendaient ce qu’ils juraient être les accents de nombreux instruments, surtout des tambours, et le fracas d’une armée qui passait. Les caravanes ont pris l’habitude d’accrocher des clochettes au cou de leurs bêtes pour que personne ne s’égare en allant vers la musique.

Cinq siècles et demi plus tard, à l’autre bout du monde, Charles Darwin a entendu parler du même phénomène sous un autre nom. En 1835, alors qu’il parcourait la côte du nord du Chili, Darwin a passé du temps dans le désert près de Copiapó, et les habitants lui ont parlé d’une colline voisine qu’ils appelaient El Bramador, celui qui rugit ou qui mugit. Darwin, de son propre aveu, n’y a pas prêté assez d’attention sur le moment. D’après ce qu’il en avait compris, la colline était recouverte de sable et ne faisait son bruit que lorsque des gens la gravissaient et mettaient le sable en mouvement. Il a noté, presque après coup, que la même chose avait été rapportée, sur l’autorité des naturalistes Seetzen et Ehrenberg, au mont Sinaï, au bord de la mer Rouge, où des générations de voyageurs avaient entendu la montagne elle-même sembler résonner.

Polo accusait les esprits. Les Bédouins du Sinaï accusaient les cloches d’un monastère chrétien englouti par les dunes, qui sonnaient encore quelque part sous terre. Les Chiliens avaient leur colline qui mugit. Durant presque toute l’histoire documentée, le grondement de ces dunes chantantes a relevé du folklore, rangé aux côtés des sirènes et des cloches enfouies. L’explication véritable se révèle plus étrange que les légendes, et il a fallu près de deux siècles, ainsi qu’une véritable querelle scientifique, qui couve encore, pour l’établir. En bref : dans les bonnes conditions, quelques centaines de millions de grains de sable peuvent brièvement se mettre au pas et jouer une seule note grave, assez puissante pour porter à des miles à la ronde. Pendant une minute ou deux, la dune devient un instrument de musique de la taille d’un immeuble.

Ce qu’est vraiment ce son

Commençons par ce que vous entendriez si vous étiez sur place. Ce n’est ni un sifflement ni un cri perçant, mais un grondement grave et bourdonnant, quelque part entre un orgue dont on tiendrait une seule note de pédalier et un avion à hélice qui passe bas au-dessus de vous. Il monte par la plante de vos pieds autant qu’il atteint vos oreilles, une vibration que l’on sent dans la poitrine. Ceux qui l’ont déclenché en dévalant une face d’avalanche décrivent un son si physique et en apparence si désincarné que le premier réflexe est de chercher sa source ailleurs que dans le sable sur lequel ils sont assis.

Les chiffres qui sous-tendent cette impression sont précis. Une dune qui gronde produit une fréquence dominante, le plus souvent comprise entre 70 et 105 hertz, surmontée d’une série d’harmoniques plus faibles. Cette fondamentale se situe environ deux octaves sous le do central d’un piano, dans le bas de la tessiture d’un violoncelle, ce qui explique précisément pourquoi tant d’auditeurs emploient le mot « musical » plutôt que « bruit ». Le son peut atteindre environ 105 décibels, comparable à celui que l’on subit près de machines lourdes, et par temps calme il porte étonnamment loin. On a entendu un grand épisode de glissement jusqu’à dix kilomètres (six miles) de distance. Une fois lancé, il peut tenir plusieurs minutes et, détail qui a lancé pendant des années les scientifiques à la poursuite de résonateurs, il continue souvent de retentir jusqu’à une minute après l’arrêt de tous les grains visibles.

Les dunes chantent des notes différentes, et chacune est d’une remarquable constance. Les barkhanes proches de Tarfaya, sur la bordure atlantique du Sahara, au Maroc, tiennent une tonalité proche de 105 Hz, près d’un sol dièse grave, et la tiennent que l’avalanche soit grande ou petite et où qu’elle se produise sur la dune. Sand Mountain, au Nevada, près de Fallon, gronde plus bas, avec des pics mesurés autour de 50 à 80 Hz, disons du si grave au do dièse, deux octaves sous le do central du piano. Au Chili, le champ de dunes appelé Mar de Dunas chante un fa grave à environ 87 Hz. Et dans les sables de Sharqiya (Wahiba), à Oman, où les grains présentent un large éventail de tailles, les dunes ne se fixent pas du tout sur une seule note mais émettent un accord couvrant environ 90 à 150 Hz, soit près de neuf notes différentes à la fois. Ce dernier fait, nous le verrons, s’est révélé un indice crucial.

Ce qui frappe les physiciens dans ces notes, c’est leur pureté et leur stabilité. Un objet frappé résonne le plus souvent avec un fouillis de fréquences qui s’éteignent à des vitesses différentes ; une dune qui gronde, elle, tient une fréquence dominante surmontée d’une échelle bien ordonnée d’harmoniques, plus proche d’une corde frottée à l’archet que d’un bruit sourd. Elle est assez stable pour que l’on puisse nommer la note. Et elle est reproductible : revenez aux dunes de Tarfaya un autre jour sec et elles vous donneront le même sol dièse grave, non pas parce que la dune a la même forme, puisque le vent la remodèle sans cesse, mais parce que les grains ont la même taille, et ce sont en définitive les grains qui décident.

Si vous avez grandi avec un certain type de science-fiction, cette alliance du désert profond et du son profond fera déjà écho en vous. Frank Herbert a bâti l’écologie de son roman de 1965, Dune, précisément sur cette association. Sur la planète désertique Arrakis, les colossaux vers des sables sont attirés par les vibrations régulières et rythmées qui se propagent dans le sable, qu’ils interprètent comme une proie ou comme un rival sur leur territoire. Les Fremen, le peuple du désert de la planète, survivent en apprenant à marcher sans rythme, une démarche irrégulière, traînante, arythmique, conçue pour se fondre dans le remous naturel du sable chassé par le vent, de sorte que rien, en dessous, ne vienne voir. Quand ils veulent appeler un ver exprès, ils plantent un « marteleur », un pieu à ressort qui frappe la surface à un rythme régulier, et ils s’en éloignent vite.

La formule a survécu au livre. En 2001, le producteur britannique Fatboy Slim a sorti « Weapon of Choice », avec Bootsy Collins au chant et un clip de Spike Jonze devenu légendaire, où un Christopher Walken impassible danse seul, puis finit par voler, dans le hall désert d’un hôtel. Le refrain, Marchez sans rythme, et cela n’attirera pas le ver, est tiré tout droit du désert de Herbert. (Petit hasard cosmique du calendrier, Walken a ensuite joué l’empereur Shaddam IV dans Dune : Deuxième Partie en 2024, et a reconnu de bon cœur qu’il n’avait jamais remarqué le lien.) L’image est presque trop belle pour un phénomène qui obéit au principe inverse. Sur une vraie dune, le grondement n’est pas le danger du rythme mais son triomphe : le son existe parce que des millions de grains parviennent, un bref instant, à se mouvoir en cadence les uns avec les autres. Les Fremen de Herbert suppriment le rythme pour rester en vie. Une dune chantante, c’est ce qui se produit quand le rythme l’emporte.

Chanter, gronder, couiner, aboyer : une brève taxonomie

Avant d’aller plus loin, il est utile de distinguer deux phénomènes que la littérature de vulgarisation confond sans cesse, car ils n’ont ni les mêmes sons, ni les mêmes cadres, ni, très probablement, les mêmes mécanismes dans le détail.

Le premier est le sable qui crisse ou qui siffle, que l’on trouve sur certaines plages. Traînez vigoureusement les pieds dans le sable sec, au-dessus de la ligne de marée haute, à Porth Oer, au pays de Galles (la plage s’appelle littéralement Whistling Sands, les « sables qui sifflent »), à Singing Beach, dans le Massachusetts, ou sur les Barking Sands de Kauai, et vous en tirerez un couinement ou un aboiement bref, aigu, presque de dessin animé. Le son est bref, il suit votre pas, et sa hauteur est élevée, typiquement plusieurs centaines de hertz, souvent plus de 500 Hz. On l’a signalé sur des dizaines de plages rien que dans les îles Britanniques. C’est un phénomène bien réel, qui partage certains ingrédients avec son grand cousin, mais c’est un animal différent.

Le second est le sable qui gronde ou sable chantant, le phénomène des dunes de désert dont traite cet article. Il est beaucoup plus rare, beaucoup plus fort, beaucoup plus grave, et il est déclenché non par un pas, mais par une avalanche, une masse de sable qui glisse le long de la face abrupte sous le vent d’une grande dune, qu’elle soit mise en mouvement par le vent, par une pente devenue trop raide pour tenir d’elle-même, ou par une personne qui se laisse glisser exprès. Le grondement est soutenu, il est grave, et il peut survivre à l’avalanche qui l’a déclenché. Là où le couinement est le son de votre chaussure, le grondement est le son d’un versant qui se détache.

Cette distinction compte, parce que les deux ont été confondus à maintes reprises dans les comptes rendus et parce qu’un même lieu peut présenter l’un sans l’autre. Les Barking Sands d’Hawaï et les Whistling Sands du pays de Galles sont des plages qui crissent, non des dunes qui grondent. Les dunes de Tarfaya, Sand Mountain, le Badain Jaran, en Chine, et les sables de Sharqiya, à Oman, sont les authentiques dunes qui grondent. Séparez bien les deux, et une grande part des contradictions apparentes des récits anciens s’évanouit.

Où chantent les dunes

Les dunes qui grondent sont rares. Les synthèses modernes les plus rigoureuses évaluent à environ trois à quatre douzaines le nombre de sites, dans le monde, où l’on a documenté un véritable grondement à basse fréquence. Rapporté à l’ensemble des déserts de la planète, ce n’est presque rien. Les déserts couvrent environ un cinquième des terres émergées, seul un dixième environ de cette surface désertique est réellement enseveli sous des dunes, et seule une fraction infime de ces dunes peut chanter. Elles sont regroupées, assez logiquement, dans les endroits les plus secs de la Terre.

L’Amérique du Nord possède l’une des plus belles collections, ce qui explique qu’une grande partie des travaux scientifiques y ait été menée. La Californie à elle seule en compte plusieurs : les imposantes dunes de Kelso, dans le Mojave, les dunes d’Eureka, dans un coin reculé de la vallée de la Mort (parmi les plus hautes du pays, qui s’élèvent d’environ 200 mètres au-dessus du fond de la vallée), ainsi que les dunes de Dumont et les dunes de Panamint, à proximité. De l’autre côté de la limite de l’État, Sand Mountain et Big Dune, au Nevada, grondent elles aussi, de même que les dunes du parc national de Great Sand Dunes, dans le Colorado, près d’Alamosa, qui ont inspiré à Bing Crosby, en 1947, une chanson, « The Singing Sands of Alamosa ».

L’Asie abrite les géants. Le désert de Badain Jaran, en Mongolie-Intérieure, renferme certaines des plus hautes dunes stationnaires du monde, bien au-delà de 450 mètres, et ce sont de célèbres dunes qui grondent. Près de Dunhuang, ville de la route de la soie, dans le Gansu, la crête de dunes appelée Mingsha Shan, littéralement la « montagne du sable chantant », s’enroule autour de l’oasis alimentée par des sources du lac Crescent ; le son y est mentionné dans des textes chinois vieux de bien plus de mille ans, qui le décrivent comme semblable à une musique entendue par beau temps. La Chine reconnaît quatre sites classiques de « sable chantant », les dunes proches de Hami, au Xinjiang, passant pour donner la plus belle sonorité. La Mongolie a la grande dune de Khongoryn Els, et le Kazakhstan la célèbre dune chantante d’Altyn-Emel.

La péninsule Arabique chante à travers ses mers de sable : les dunes proches de Mesaieed, au Qatar, les grandes dunes linéaires au sud de l’oasis de Liwa, aux Émirats, et les sables de Sharqiya, à Oman, où Simon Dagois-Bohy et ses collègues ont mené certaines des campagnes de terrain les plus éclairantes. L’Afrique du Nord a les barkhanes qui grondent près de Tarfaya, au Maroc, ainsi que des sites en Mauritanie, dans le Désert occidental égyptien et dans le Sinaï, où le Gebel Naqous, la « montagne de la Cloche », porte la légende du monastère enseveli dont Darwin avait entendu parler de seconde main. Dans l’hémisphère sud, l’Afrique australe possède les dunes qui grondent du Namib et les « sables rugissants » des Witsands du Kalahari, et le Chili a ses collines mugissantes dans l’Atacama, dont le Mar de Dunas et la dune que les informateurs de Darwin appelaient El Bramador.

La recette d’une dune chantante

Toutes les dunes ne savent pas le faire, et celles qui le peuvent sont exigeantes. Des décennies de prélèvements, qui consistaient à recueillir du sable « chantant », à le rapporter au laboratoire et à découvrir qu’il s’y tait souvent, ont ramené les exigences à une poignée de conditions qui doivent toutes être réunies à la fois.

Les grains doivent avoir la bonne taille, et presque tous la même. Le sable qui gronde est fin, avec des grains dont le diamètre se situe généralement entre 0,1 et 0,3 millimètre environ ; aux dunes de Tarfaya, Bruno Andreotti a mesuré un diamètre moyen d’environ 0,18 mm. Plus importante que la taille absolue est le classement : les grains doivent être remarquablement uniformes, tous dans une bande étroite de diamètres. Le vent est le tamis qui y parvient. L’air en mouvement soulève et emporte les grains d’une gamme de tailles donnée et laisse le reste derrière lui, si bien que la face d’une dune mature peut finir par être triée à un degré qu’il serait difficile de reproduire exprès. Quand les grains sont tous semblables, ils peuvent se mouvoir ensemble ; quand ils ne le sont pas, ils ne le peuvent pas. Les dunes d’Oman l’illustrent par le contre-exemple. Leur sable présente un large éventail de tailles et produit cet accord brouillé de neuf notes, mais tamisez ce même sable jusqu’à une seule fraction étroite, autour de 200 à 250 micromètres, et il joue soudain une seule note nette.

Les grains doivent être arrondis, polis et riches en silice. Le sable qui gronde est en très grande majorité du quartz, le même minéral dur et vitreux qui constitue partout dans le monde le sable de quartz bien classé et, compacté au fil des temps géologiques, les anciennes dunes changées en pierre que nous appelons grès. Au microscope, les grains d’une dune chantante sont remarquablement lisses et bien arrondis, roulés et dépolis par d’innombrables voyages dans le vent. John Lindsay et ses collègues, qui ont comparé dans les années 1970 des sables qui grondent et des sables qui ne grondent pas, ont conclu qu’un poli exceptionnellement élevé figurait parmi les caractéristiques qui distinguaient les sables chanteurs.

Le sable doit être complètement sec. C’est non négociable, et c’est pourquoi les dunes qui grondent se taisent en hiver ou après la pluie, parfois pendant des mois. Une trace d’humidité suffit à faire adhérer les grains les uns aux autres au lieu de les laisser glisser librement, et une dune qui grondait magnifiquement en août peut être muette en janvier parce que l’eau d’un seul orage est encore emprisonnée dans le tas. La sécheresse est la condition la plus facile à remplir dans un désert, et la plus facile à perdre.

Et la pente doit être assez raide pour provoquer une avalanche. La face qui gronde est la face sous le vent, ou face d’avalanche, de la dune, le côté abrupt abrité du vent, où le sable soufflé s’accumule jusqu’à atteindre l’angle de repos, d’environ 30 à 35 degrés, l’angle le plus raide que le sable sec puisse soutenir avant de céder. Dépassez-le, en ajoutant du sable au sommet ou en vous asseyant pour glisser, et une nappe de grains lâche et s’écoule vers le bas de la pente. Cette nappe en mouvement est le moteur de tout le phénomène. Pas d’avalanche, pas de grondement.

Il reste un ingrédient véritablement contesté, et il convient d’être honnête sur l’incertitude. De nombreux sables chantants portent un mince revêtement de surface, une sorte de fin vernis désertique de silice et d’humidité piégée, parfois appelé « vernis du désert », formé au fil de cycles répétés d’humidification et de séchage. En 1997, un groupe dirigé par David Goldsack a rapporté dans Nature que les sables qui grondent contenaient environ 95 % de silice et portaient justement un tel revêtement de type gel, et a soutenu que ce revêtement augmentait la friction entre les grains et les aidait à chanter. D’autres se sont montrés sceptiques dès le départ, parlant d’une spéculation intéressante, sans plus. Une étude chinoise ultérieure est allée plus loin et a conclu que le son n’avait rien à voir avec un quelconque gel de silice ni avec la chimie des grains, l’attribuant plutôt à de minuscules cupules à la surface des grains, qui agiraient comme des cavités résonantes. Le bilan honnête aujourd’hui est qu’un revêtement de surface est associé à de nombreux sables chantants et qu’il y contribue vraisemblablement, en modifiant la façon dont les grains s’agrippent et se relâchent, mais qu’on n’a pas montré qu’il était nécessaire, et son rôle exact reste incertain.

Deux siècles d’erreurs

Pendant longtemps, les sables chantants ont été une curiosité que la science sérieuse tenait à distance, en partie parce qu’ils sont si difficiles à étudier. On ne peut pas commander un grondement à la demande. Il faut que la dune soit sèche, que la saison soit la bonne, et que vous vous trouviez sur la bonne face au moment où quelques milliers de tonnes de sable décident de lâcher. Comme l’écrivait un correspondant de Nature au XIXe siècle, le problème n’a jamais été le manque de sables chantants mais le manque d’observateurs au bon endroit au bon moment.

Les Victoriens ont malgré tout produit des théories, et la plupart se trompaient de façon instructive. Certains imaginaient de l’air comprimé puis relâché dans les interstices entre les grains, comme dans les chambres d’un minuscule orgue. D’autres se sont tournés vers l’électricité, proposant que la friction entre les grains accumulait une charge statique dont la décharge produisait d’une manière ou d’une autre le son, une idée qui circule encore aujourd’hui dans les récits de vulgarisation, alors qu’il n’existe aucune bonne preuve qu’elle produise la note. Quelques-uns ont invoqué un volcanisme souterrain. Lord Curzon, l’homme d’État britannique, a été assez captivé pour consacrer un long chapitre de ses Tales of Travel de 1923 aux « sables chantants », en dressant le catalogue de récits de « sables chantants, sonores, grondants, musicaux, aboyants, mouvants » à travers les déserts du monde, et en avouant son incapacité à en expliquer aucun.

La première personne à tirer le sujet vers la physique fut Ralph Bagnold. Officier de l’armée britannique, qui a passé les années 1920 et 1930 à sillonner en Ford T l’intérieur non cartographié des déserts égyptien et libyen, Bagnold s’est passionné pour la façon dont le sable se déplace, et en 1941 il a publié The Physics of Blown Sand and Desert Dunes, l’ouvrage qui a fondé la science moderne des sédiments transportés par le vent : la saltation des grains qui rebondissent, la lente reptation de la surface, l’architecture des dunes. Il a consacré aux sables chantants un chapitre à part entière. Il y a consigné le folklore, les sirènes, les cloches du monastère englouti, puis ce qu’il avait entendu lui-même. Par une nuit calme dans le désert, il a entendu le sable se mettre en branle si brusquement et si fort que, selon son récit, toute conversation normale devenait difficile, et le grondement s’est poursuivi pendant plusieurs minutes sans interruption.

Bagnold soupçonnait que la réponse tenait à la friction et à la manière dont les grains secs cisaillent et se dilatent en s’écoulant les uns contre les autres, et il a continué à travailler sur ce mécanisme jusque dans les années 1960. Mais la première mesure quantitative solide d’une dune qui gronde date de 1975, lorsque David Criswell, John Lindsay et David Reasoner ont traîné des instruments jusqu’à Sand Mountain, dans le Nevada, et enregistré directement les signaux sismiques et acoustiques d’un cisaillement forcé. Ils ont constaté que l’énergie sismique se concentrait en pics nets entre 50 et 80 hertz, et ils ont noté, presque en passant, que des dunes de ce type étaient décrites depuis plus de quinze cents ans. Pour la première fois, le phénomène était assorti de chiffres. On pouvait enfin se disputer à partir de données.

La querelle moderne : deux réponses à une même question

Au début des années 2000, la question s’était affinée jusqu’à sa forme essentielle. Tout le monde s’accordait à dire que le son naissait d’une avalanche de sable sec et bien classé. Tout le monde s’accordait à dire que ce n’était ni le vent qui sifflait, ni la dune entière qui sonnait comme une cloche frappée : des dunes de tailles très différentes, sur un même site, produisent la même note, ce qui exclut que la dune elle-même serve de corps résonant. La question ouverte était plus étroite et plus difficile : qu’est-ce qui fixe la fréquence ? Deux groupes de recherche, travaillant en grande partie en parallèle, sont arrivés à deux réponses réellement différentes, et ils en débattent depuis, dans les termes les plus polis et les plus techniques possibles.

La réponse de Paris : les grains se synchronisent les uns sur les autres

La première réponse est venue d’un groupe parisien associé à Stéphane Douady et Bruno Andreotti. Dans deux articles de référence parus dans Physical Review Letters, « The Song of Dunes as a Wave-Particle Mode Locking » d’Andreotti en 2004, et « Song of the Dunes as a Self-Synchronized Instrument » de Douady et de ses collègues en 2006, ils ont avancé une thèse d’allure radicale. Le son, soutenaient-ils, est produit par le mouvement relatif des grains eux-mêmes, et sa fréquence est tout simplement le rythme auquel les grains de la couche en écoulement se heurtent.

Le mécanisme fonctionne comme une boucle de rétroaction. Quand la couche superficielle de sable cisaille en descendant la pente, les grains se heurtent et frottent les uns contre les autres. Ces collisions déclenchent de faibles vibrations élastiques qui se propagent à la surface du sable. Ces vibrations, à leur tour, poussent les grains, de sorte qu’au lieu de se heurter au hasard, ils se mettent à se heurter ensemble, en phase, comme une foule sur une passerelle peut, sans s’en rendre compte, se mettre au pas et faire osciller toute la structure. Dès que les grains se synchronisent, leur mouvement collectif et cohérent met en mouvement l’air au-dessus de la pente comme le cône d’un immense haut-parleur, et l’on obtient une note pure et forte au lieu d’un chuintement de bruit aléatoire. Andreotti a mesuré les ondes de surface qui s’éloignaient d’une avalanche marocaine à environ 40 mètres par seconde et constaté que le son plafonnait autour de 105 décibels précisément au moment où la vibration devenait assez forte pour commencer à projeter des grains hors de la couche en écoulement, une limite naturelle de volume inscrite dans la physique.

Dans ce tableau, la fréquence est fixée par le taux de cisaillement de l’avalanche, qui, pour des grains en écoulement, est identique à leur fréquence de collision. Cela mène à une prédiction nette : la note devrait dépendre de la taille des grains et de l’attraction de la pesanteur, et de pratiquement rien d’autre. Concrètement, la fréquence varie à peu près comme la racine carrée de la gravité divisée par le diamètre des grains, ce que résume la relation Γ ≈ 0,4 × √(g/d), où g est l’accélération de la pesanteur et d la taille moyenne des grains, une loi d’échelle qu’Andreotti a mesurée directement lors de ses travaux de terrain de 2004 et que Dagois-Bohy et ses collègues ont ensuite confirmée sur des avalanches de terrain comme de laboratoire. Des grains plus gros, une note plus grave. Pas besoin de dune, seulement une couche en cisaillement faite du bon sable. Andreotti aimait décrire ce résultat comme un tout nouveau type d’instrument de musique.

La réponse du Caltech : la peau de la dune est un guide d’ondes

La seconde réponse est venue en 2007 d’un groupe du Caltech, Nathalie Vriend, Melany Hunt, Robert Clayton et leurs collègues, dans un article au titre plein d’assurance, « Solving the Mystery of Booming Sand Dunes ». Ils étaient allés sur le terrain avec du matériel sismique, du genre de celui que les géophysiciens utilisent pour imager les couches sous la surface, et avaient déployé de longues lignes de géophones à travers des dunes qui grondent, à Dumont, Eureka, Big Dune et Kelso. Ce qu’ils ont rapporté racontait une tout autre histoire de la fréquence.

Une dune, faisaient-ils remarquer, n’est pas uniforme. Elle comporte une couche superficielle de sable sec et meuble posée sur du sable plus ancien et plus compacté, et les ondes sismiques se propagent plus vite dans le matériau plus rigide du dessous que dans la matière meuble du dessus. Cet agencement, une couche lente plaquée contre un matériau plus rapide, est, en physique, un guide d’ondes. Il peut piéger les ondes sonores et les renvoyer d’avant en arrière, et à certaines fréquences ces réflexions se renforcent mutuellement et entrent en résonance, exactement comme une longueur donnée de tuyau d’orgue favorise une note donnée. L’équipe du Caltech soutenait que la fréquence du grondement était fixée non par les grains mais par la profondeur de cette couche superficielle sèche : quelques dizaines de centimètres de sable meuble faisant office de canal résonant naturel. Leurs mesures situaient les vitesses d’ondes pertinentes près de la surface autour de 200 mètres par seconde.

Cette idée avait un véritable attrait explicatif. Elle fournissait une raison élégante pour laquelle une dune peut continuer de gronder jusqu’à une minute après l’arrêt de l’avalanche, le son piégé résonne encore dans le guide d’ondes, et pour laquelle le grondement est si capricieux quant au lieu et à la saison, puisque la profondeur et la rigidité de cette couche superficielle changent selon que la dune sèche ou s’humidifie. Elle faisait de la structure interne de la dune, et pas seulement de son sable, l’élément déterminant.

L’échange

Les deux camps ne se sont pas contentés de convenir poliment de leur désaccord. En 2008, Andreotti, Lénaïc Bonneau et Éric Clément ont publié dans Geophysical Research Letters un commentaire en bonne et due forme contestant l’analyse du Caltech, et le groupe de Vriend y a répondu dans le même numéro. L’objection parisienne, une fois dépouillée de ses mathématiques, était que le type de propagation sonore simple et non dispersive que supposait le modèle du guide d’ondes ne vaut pas réellement dans un sable meuble comprimé par son seul poids, où les ondes pertinentes se propagent le long de la surface et se comportent de façon très différente. Ils soutenaient que, lorsqu’on examinait l’ensemble des données, la fréquence du grondement ne suivait pas la fréquence de résonance prédite de la couche superficielle ; que changer la manière de déclencher l’avalanche ne changeait pas la note, comme une explication par la résonance pourrait le laisser penser ; et que l’existence d’une couche superficielle sèche fixait un seuil pour le grondement, il faut assez de sable sec pour que les vibrations de surface puissent se propager, sans que la profondeur de cette couche soit ce qui sélectionne la hauteur du son. Le groupe du Caltech, de son côté, a défendu le guide d’ondes et s’est appuyé sur ses mesures de terrain.

L’expérience qui a fait bouger les lignes

Le test le plus net date de 2012. Si le grondement a vraiment besoin d’une dune stratifiée en dessous pour entrer en résonance, alors on ne devrait pas pouvoir produire le son sans elle. Simon Dagois-Bohy, Sylvain Courrech du Pont et Stéphane Douady ont donc pris du sable chantant des dunes marocaines et omanaises et l’ont fait dévaler en avalanche sur une plaque dure, en laboratoire, sans aucune dune en dessous, dans des travaux publiés dans Geophysical Research Letters sous le titre « Singing-sand avalanches without dunes ». Le sable chantait toujours. Une couche en cisaillement faite des bons grains, s’écoulant sur une surface rigide, produisait la note caractéristique sans rien à l’intérieur pour entrer en résonance.

La même étude a permis de relier les fils épars. Elle a confirmé qu’une dune aux grains bien classés joue une note unique et bien définie, tandis qu’une dune dont les grains présentent un large éventail de tailles produit le spectre bruité et multinote que l’on entend à Oman, et que le tamisage du sable omanais jusqu’à une seule taille a rétabli une note pure. Elle a arrimé la fréquence à la relation 0,4 × √(g/d) entre la hauteur du son et la taille des grains. Le poids des preuves menait fermement à une seule conclusion : le son est engendré par la synchronisation des grains en avalanche, et aucun résonateur n’est nécessaire pour le produire.

Cela n’a pas tant effacé le tableau du Caltech qu’il ne l’a déplacé, et cela a, dans un sens, donné raison à une intuition que le groupe parisien avait avancée dès 2006, à savoir que la résonance pourrait compter, tout en la faisant passer de la dune au sable en écoulement. L’état des lieux honnête aujourd’hui sépare deux questions que le débat initial avait emmêlées. La génération du son, la raison pour laquelle il y a une note pure, et ce qui fixe sa hauteur, s’explique le mieux par la synchronisation des grains dans l’écoulement en cisaillement, et ce mécanisme fonctionne avec ou sans dune. Mais sur le terrain, sur une vraie dune de la taille d’un immeuble, un guide d’ondes proche de la surface peut encore contribuer à piéger, entretenir et amplifier l’émission une fois qu’elle a été générée, et l’épaisseur de sable sec fixe un seuil en dessous duquel une dune ne gronde pas du tout. Les travaux ultérieurs du groupe du Caltech, dont une étude détaillée de 2015 parue dans Physics of Fluids, ont établi une distinction utile entre le grondement soutenu, presque monotone, et les brèves salves à large bande qu’ils ont appelées burping (« rots »), ces sons en forme d’impulsions que l’on obtient en cisaillant brièvement la surface à la main, avant qu’une véritable avalanche ne se cale sur une note stable. Savoir si la couche superficielle joue un rôle dans la fixation de la fréquence sur le terrain reste débattu, et sans doute secondaire. Beaucoup de choses restent inconnues sur le couplage microscopique qui permet aux grains de se mettre au pas, et il en va de même du mystère plus profond de la raison pour laquelle deux sables chimiquement presque identiques peuvent différer à ce point, l’un chantant et l’autre restant muet.

Il vaut la peine de s’attarder sur le caractère inhabituel de la situation. Dans la majeure partie de la physique moderne, le « quoi » et le « pourquoi » arrivent ensemble. Ici, les scientifiques peuvent vous dire avec assurance ce qui fixe la note, la taille des grains, tout en discutant encore de savoir exactement pourquoi la taille des grains compte comme elle le fait, et de ce qu’apporte la structure de la dune. Le sable a gardé l’un de ses secrets même après avoir livré le principal.

Pourquoi une dune qui bourdonne mérite le temps d’un physicien

On pourrait facilement ranger tout cela dans la rubrique de l’émerveillement inoffensif : un bruit étrange dans un lieu étrange, expliqué, fin de l’histoire. Mais les dunes chantantes se situent à l’intersection de plusieurs choses que les scientifiques brûlent de comprendre, et c’est pourquoi des chercheurs sérieux continuent d’y retourner avec des sismomètres et des caméras à haute vitesse.

La première est la physique des écoulements granulaires, l’un des véritables problèmes non résolus de la physique du quotidien. Un tas de sable peut rester immobile comme un solide, couler comme un liquide et s’élever en rafales comme un gaz, parfois dans la même seconde, et nous manquons encore d’une théorie complète qui rende compte des trois. Une dune qui gronde est un écoulement granulaire qui s’est spontanément organisé en un mouvement cohérent et de grande échelle, des millions de grains indépendants se comportant brièvement comme un seul. Ce type de synchronisation émergente, où des interactions locales s’additionnent en un seul rythme collectif, se retrouve partout dans la nature, des lucioles qui clignotent au balancement des passerelles bondées, et les dunes sont un cas rare où l’on peut l’entendre se produire et la mesurer proprement. La même famille de lois physiques sous-tend les avalanches et les glissements de terrain qui tuent des gens, et comprendre à quel moment une pente granulaire passe d’un fluage tranquille à un mouvement soudain et cohérent n’est pas une question académique sur un versant de montagne qui domine une ville.

Les travaux fondateurs de Bagnold sur la façon dont les grains se déplacent par saltation et par reptation restent à la base de tous les modèles décrivant la manière dont les déserts se déplacent, dont les tempêtes de poussière chargent l’atmosphère et dont les littoraux et les terres agricoles perdent leur sol sous l’effet du vent. Les dunes qui chantent ne sont que les membres les plus théâtraux d’une famille de processus, les processus éoliens, qui remodèlent discrètement un cinquième de la surface de la planète.

Et puis il y a le reste du système solaire, car la Terre est loin d’être le seul monde à posséder des dunes.

Des dunes sur d’autres mondes

Mars est couverte de dunes. Des orbiteurs ont photographié des barkhanes, des crêtes transversales, des dunes linéaires et de grands monticules en forme d’étoile qui ne dépareraient en rien au Sahara, et les caméras à haute résolution du Mars Reconnaissance Orbiter de la NASA les ont surprises en mouvement : des rides qui migrent, des faces d’avalanche qui avancent, du sable qui se déplace visiblement sous l’atmosphère ténue actuelle de la planète. Les dunes sont faites en grande partie de grains volcaniques sombres plutôt que de quartz pâle, et l’atmosphère martienne a une densité inférieure à un centième de celle de la nôtre, si bien que la physique du rebond d’un grain et celle du couplage du son avec l’air diffèrent toutes deux profondément de tout ce qui existe sur Terre. Personne n’a jamais enregistré une dune martienne en train de chanter, et savoir si elle le pourrait est une question ouverte, non une conclusion. C’est une idée séduisante, et il faut la présenter pour ce qu’elle est : une idée.

Plus étrange encore est Titan, la lune géante de Saturne. Lorsque la sonde Cassini a braqué en 2006 son radar capable de percer les nuages sur Titan, elle y a découvert de vastes champs de dunes longues et parallèles ceinturant l’équateur de la lune, certaines larges de quelques kilomètres et hautes d’une centaine de mètres, s’étendant sur des centaines de kilomètres de terrain. Ce sont des dunes par la forme, mais pas par la substance : Titan est bien trop froid pour que la roche s’altère en sable de quartz, et ses dunes semblent constituées de grains de matière organique solide, de suie d’hydrocarbures et de glace, retombées gelées d’une atmosphère riche en méthane et en chimie carbonée complexe. Curieusement, les dunes vont dans la direction opposée à celle des doux vents de surface dominants de Titan, une énigme que les scientifiques ont reliée à de brefs renversements de vent plus violents autour des équinoxes de la lune.

Une dune extraterrestre pourrait-elle chanter ? En principe, peut-être : une pente suffisamment sèche, bien classée, en avalanche, faite des bons grains, pourrait se synchroniser sur n’importe quel monde doté d’une gravité et d’une atmosphère. En pratique, c’est de la pure spéculation, jamais observée sur un autre corps que le nôtre. Ce que les dunes extraterrestres offrent réellement, c’est une comparaison. Prenez le même processus de base, le vent qui trie et empile des grains meubles, et faites-le tourner sous un dixième de la gravité terrestre, dans un quasi-vide, ou avec des hydrocarbures gelés à 180 degrés sous zéro, et vous apprenez quelles caractéristiques d’une dune sont universelles et lesquelles sont des accidents dus à la Terre. Le chant est, pour autant que nous le sachions, l’un des talents propres à notre planète.

Debout sur une dune chantante

Allez en écouter une, si l’occasion se présente, et la science rendra l’expérience plus riche, et non plus pauvre. Vous gravissez le côté au vent, qui est la pente facile, vos pieds s’enfonçant et le sable glissant en arrière sous vous. À la crête, vous passez sur la face abrupte sous le vent, celle qui se tient au bord de l’effondrement, et vous vous asseyez et commencez à glisser. Pendant un instant, il n’y a que la fraîcheur du sable sec qui cède. Puis le sol sous vous se met à vibrer, la note s’élève de la pente, et tout le versant fredonne un accord grave que vous sentez dans votre sternum. Vous n’entendez ni des esprits, ni des cloches enfouies, ni une colline qui mugit. Vous écoutez quelques centaines de millions de grains de quartz, triés à une seule taille par dix mille ans de vent, se mettre brièvement au pas et jouer l’unique note qu’ils ont répétée.

Marco Polo l’a entendu et s’est tourné vers le surnaturel. Darwin en a entendu parler et, de son propre aveu, n’a pas écouté d’assez près. Bagnold l’a entendu et s’est mis à faire le calcul. Il a fallu près de deux siècles, deux groupes de recherche obstinés et un bac de sable glissant sur une plaque de laboratoire nue pour comprendre que le son le plus étrange du désert est aussi l’un de ses plus ordinaires, de la friction, de la gravité et de la taille des grains, organisées pendant une minute en musique. Les Fremen de Herbert avaient tout exactement à l’envers. Ils marchaient sans rythme pour garder le désert silencieux et le monstre à distance. Tenez-vous sur la bonne dune par un après-midi sec, laissez la pente trouver son rythme, et la seule chose qui monte du sable est une note unique, soutenue, d’une profondeur impossible : le désert, pendant une minute, jouant de lui-même.

Questions fréquentes

Pourquoi les dunes de sable font-elles du bruit ?

Une grande dune gronde quand une couche de sable sec et bien classé dévale en avalanche sa face abrupte sous le vent. Lorsque les grains cisaillent les uns contre les autres, ils se mettent à se mouvoir de façon synchronisée, se heurtant en phase plutôt qu’au hasard, et ce mouvement cohérent met l’air en mouvement comme un haut-parleur, produisant une note forte et grave. Ce n’est pas le vent qui siffle, ni la dune entière qui sonne comme une cloche : c’est le mouvement organisé des grains eux-mêmes en avalanche.

Quelle note chantent les dunes chantantes ?

Généralement une seule note grave, entre 70 et 105 hertz environ, soit à peu près deux octaves sous le do central d’un piano, dans le registre grave d’un violoncelle. La hauteur exacte dépend surtout de la taille des grains de sable : les dunes proches de Tarfaya, au Maroc, tiennent une note proche de 105 Hz (environ un sol dièse grave), tandis que Sand Mountain, au Nevada, gronde plus bas, autour de 50 à 80 Hz. Les dunes dont les grains présentent un large éventail de tailles, comme celles d’Oman, peuvent faire entendre plusieurs notes à la fois.

Le sable chantant est-il dangereux ?

Le son lui-même est inoffensif, même si, jusqu’à environ 105 décibels, il est assez fort pour être ressenti comme une vibration dans la poitrine. Le vrai danger est l’avalanche qui le produit : déclencher le grondement revient à mettre volontairement en mouvement une face d’avalanche raide et instable, alors abordez une grande face de dune avec la prudence que vous accorderiez à n’importe quelle pente meuble.

Pourquoi le sable se tait-il quand il pleut ou en hiver ?

Pour gronder, il faut un sable complètement sec. La moindre trace d’humidité fait adhérer les grains au lieu de les laisser glisser librement, ce qui les empêche de se synchroniser ; une dune qui gronde tout l’été peut donc se taire pendant des mois après un orage, jusqu’à ce que l’eau emprisonnée finisse par sécher.

Quelle est la différence entre le sable chantant et le sable qui crisse ?

Ils sont apparentés mais distincts. Le sable qui crisse ou qui siffle est le son bref et aigu (souvent au-dessus de 500 Hz) que l’on peut tirer de certaines plages sèches en marchant dessus. Le sable qui gronde, ou sable chantant, est le rare phénomène des dunes de désert : une note soutenue, de hauteur beaucoup plus basse (70–105 Hz), déclenchée par une avalanche de sable, assez forte pour porter sur des kilomètres. Les Barking Sands d’Hawaï et les Whistling Sands du pays de Galles sont des plages qui crissent ; Tarfaya et Sand Mountain sont des dunes qui grondent.

D’autres planètes ont-elles du sable chantant ?

D’autres mondes ont bel et bien des dunes : Mars possède des dunes de sable actives que des orbiteurs ont vues se déplacer, et Titan, la lune de Saturne, possède de vastes champs de dunes faits de grains organiques gelés. Mais aucun « chant » n’a jamais été observé en dehors de la Terre. Savoir si une dune extraterrestre pourrait gronder est une question ouverte et entièrement spéculative ; la gravité, les atmosphères et les matériaux des grains, tous différents, modifieraient aussi bien la façon dont le sable se déplace que celle dont le son se propage dans l’air.

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