Les premières vagues de tsunami mesurent généralement quelques centimètres de haut, mais provoquent néanmoins une perturbation dans la haute atmosphère terrestre en faisant monter l’air et en créant une onde acoustique qui s’amplifie à mesure qu’elle monte.
Cela conduit à un changement dans l’ionosphère, à 300 km au-dessus de la surface de la Terre, dans lequel la densité d’électrons dans la zone est réduite. Cela affecte à son tour les signaux radio envoyés par les satellites GPS aux récepteurs GPS au sol, retardant ou accélérant différentes parties du signal, ou modifiant la direction du signal, en fonction de la fréquence.
Pour une nouvelle étude publiée dans Risques naturels et sciences du système terrestredes chercheurs de l’University College London (UCL) et des universités japonaises ont mis au point une nouvelle façon de détecter cette baisse de la densité électronique à partir des signaux GPS modifiés.
En examinant les données GPS au moment du tremblement de terre et du tsunami dévastateurs de Tohoku-Oki en 2011, ils ont découvert qu’une alerte au tsunami aurait pu être émise en toute confiance dans les 15 minutes suivant le tremblement de terre, c’est-à-dire au moins 10 minutes avant le premier tsunami. frapper la côte est du Japon.
Ils ont également découvert qu’un avertissement aurait pu être émis en utilisant les données de seulement 5 % des 1 200 récepteurs GPS du Japon, ce qui signifie que la méthode pourrait être utilisée dans les pays disposant d’un réseau GPS moins dense que celui du Japon.
Le professeur Serge Guillas (sciences statistiques de l’UCL et institut Alan Turing), auteur principal de l’article, a déclaré : « Les systèmes actuels d’alerte aux tsunamis ne sont pas aussi efficaces qu’ils le devraient car ils ne peuvent souvent pas prédire avec précision la hauteur d’une vague de tsunami. En 2011 , le système d’alerte japonais a sous-estimé la hauteur de la vague. Un meilleur avertissement aurait peut-être sauvé des vies et réduit les destructions généralisées qui se sont produites, permettant aux gens de se rendre sur des terrains plus élevés et plus éloignés de la mer.
« Notre étude, un effort conjoint de statisticiens et de scientifiques de l’espace, démontre une nouvelle méthode de détection des tsunamis qui est peu coûteuse, car elle s’appuie sur les réseaux GPS existants, et pourrait être mise en œuvre dans le monde entier, complétant d’autres méthodes de détection des tsunamis et améliorant la précision. des systèmes d’alerte. »
Auteur principal et Ph.D. Le chercheur Ryuichi Kanai (UCL Statistical Science et Alan Turing Institute) a déclaré: « Nos calculs suggèrent que la taille et la forme de l’onde pourraient être déduites de la perturbation de l’ionosphère et donc la prochaine étape de la recherche sera d’étudier cela plus avant pour voir si la méthode pourrait être utilisée pour des prévisions plus précises de la taille et de la portée des tsunamis.
« D’après mon expérience de travail pour le gouvernement japonais dans le passé et de voir les dégâts causés par le tsunami, je crois que si cette recherche se concrétise, elle contribuera sûrement à sauver des vies. »
Les chercheurs ont utilisé des techniques statistiques pour reconstruire la dépression de la densité électronique dans l’atmosphère à partir de points dispersés fournis par les données GPS, ainsi que pour quantifier l’incertitude inhérente à la modélisation.
L’onde acoustique provoquée par la montée initiale de l’eau a mis environ sept minutes pour atteindre 300 km de haut dans l’ionosphère, et la dépression de la densité électronique qui s’est produite en conséquence a pu être détectée via des signaux satellites en 10 à 15 minutes, ont découvert les chercheurs.
Les vagues de tsunami sont faibles en eau profonde mais peuvent se déplacer à la vitesse d’un jet (jusqu’à 800 km/h en eau profonde). Lorsqu’ils entrent dans des eaux moins profondes, ils ralentissent et augmentent en hauteur.
De nombreux systèmes d’alerte aux tsunamis existants déduisent les vagues de tsunami des tremblements de terre, mais cette méthode proposée pourrait être utilisée pour prédire les tsunamis entrants avec des sources non sismiques, telles que les glissements de terrain et les éruptions volcaniques.
Alors que certains tsunamis atteignent les côtes en moins de 10 minutes, les chercheurs ont souligné que la méthode pourrait également être utilisée pour prédire une deuxième ou une troisième vague, aidant à déterminer si une alerte au tsunami doit être annulée ou maintenue après la première vague.
L’ionosphère s’étend de 48 km à 965 km au-dessus de la surface de la Terre (là où l’atmosphère terrestre rencontre l’espace). La chaleur du soleil fait cuire les gaz jusqu’à ce qu’ils perdent des électrons (c’est-à-dire qu’ils deviennent ionisés), créant une mer de particules chargées qui comprend une abondance d’électrons libres.
L’étude a été menée par des chercheurs de l’UCL, de l’Institut Alan Turing, de l’Université de Tokai et de l’Université de Shizuoka, au Japon.
Ryuichi Kanai et al, Quantification robuste de l’incertitude du volume des trous ionosphériques du tsunami pour le tremblement de terre de Tohoku-Oki de 2011 : vers des systèmes d’alerte aux tsunamis par satellite à faible coût, Risques naturels et sciences du système terrestre (2022). DOI : 10.5194/nhess-22-849-2022