Des chercheurs détectent pour la première fois des perturbations exceptionnelles de l’ionosphère provoquées par le passage du tsunami japonais du 11 mars 2011

Ils ouvrent la voie vers une surveillance spatiale des tsunamis

Jeudi, 7 juillet 2011

Grâce à l’analyse du signal GPS et de « l’air glow » au-dessus de Hawaii, des chercheurs Français (IPGP, Université Paris Diderot, CEA, Noveltis), Américains, Japonais et Brésiliens révèlent les répercussions exceptionnelles des séismes et tsunamis de Tohoku-oki sur l’ionosphère. Ces travaux, financés par le CNES, le CNRS-INSU (programme nationale de télédétection spatiale) et l’Office of Naval Research de l’US Navy, sont en cours de publication dans des revues internationales (Geophysical Research Letters et Earth and Planetary Science).

L’ampleur tellurique du séisme de Tohoku-oki et le tsunami qui a suivi, ont plongé le Japon dans la détresse absolue, sous le regard terrifié du monde. Pour les spécialistes, dont le métier est de faire progresser la compréhension de notre planète, un événement d’une telle puissance ouvre les portes à des observations inédites et à des progrès dans la connaissance de ce système très complexe qu’est la Terre.

Sur la trentaine de séismes de magnitude supérieure à 8 survenus depuis 1975 de part le monde, les 4 ayant eu lieu au Japon avaient une magnitude ne dépassant pas 8.3. L’amplitude des ondes générées par le séisme de Tohoku-oki, d’une magnitude 9, fut donc 10 fois plus importante(1). Les ondes générées par le séisme furent enregistrées non seulement à terre par les sismomètres (ondes sismiques), dans l’océan par les capteurs de niveau d’eau (ondes de tsunamis), mais aussi dans l’ionosphère, à plus de 350 km d’altitude par les récepteurs GPS.

On sait depuis maintenant plus de 10 ans que les ondes ionosphériques perturbent les signaux GPS, mais dans le cas du séisme de Tohoku-oki ces ondes ont été observées avec une précision inégalée, révélant les détails des interactions entre les diverses enveloppes de la Terre. Que s’est-il passé ? Comment imaginer qu’un séisme, qu’un tsunami, puissent affecter les plus hauts niveaux de l’atmosphère et en particulier l’ionosphère, à 350km d’altitude ?

Les mesures en fond de mer indiquent que les déplacements verticaux du sol engendrés par le séisme ont dépassé 1 m, pour atteindre environ 3 mètres à proximité de l’épicentre, à 150 km des côtes de la préfecture de Miyagi. Sur la péninsule japonaise, ces déplacements ont été enregistrés par le réseau GPS japonais GEONET, un réseau unique de plus de 1300 récepteurs fonctionnant en continu. Ces mesures, illustrées par le Film 1, permettent de visualiser la propagation des déplacements du sol au passage des ondes sismiques du séisme et l’avancement brusque de la plaque océanique du Pacifique sous le Japon, avec un déplacement horizontal de plus de 20 mètres à l’épicentre et dépassant le mètre en bien des endroits des préfectures maritimes du Japon proches de l’épicentre. Ce film donne l’impression que le Japon se déplace vers l’est, c’est une question de repère, il faut bien comprendre que c’est la plaque Pacifique qui progresse, comme à son ordinaire vers l’ouest.

Film 1 : Film des déformations du sol générées par le séisme de Tohoku. © Collaboration GéoAzur-ENSG/IGN.

Les déplacements verticaux du fond de l’océan se sont transmis à la couche d’eau de l’océan qui s’est déplacée verticalement de plus de 6 mètres au-dessus de l’épicentre poussant brusquement l’atmosphère terrestre et engendrant, ainsi, tout à la fois un tremblement de l’atmosphère et une sorte de tsunami atmosphérique.

Ces ondes se sont amplifiées progressivement en montant en altitude, puis ont transféré une partie de leur mouvement à l’ionosphère terrestre, cette partie de l’atmosphère située au-delà de 100 km d’altitude où les atomes et molécules de l’atmosphère sont ionisés en ayant perdu un ou plusieurs de leurs électrons.

Avec le développement des réseaux GPS, l’observation de ces signaux est devenue courante depuis une dizaine d’années : ces ondes ionosphériques génèrent en effet des perturbations des signaux GPS, qui, une fois isolées, permettent de reconstruire les variations locales de la densité électronique de l’ionosphère. Mais le séisme de Tohoku a permis pour la première fois d’isoler toutes les ondes dans l’atmosphère : ondes acoustiques générées par la rupture du séisme, ondes guidées dans la troposphère terrestre et ondes dites de gravité, sorte de tsunami atmosphérique qui, sans destruction, ont survolé l’archipel japonais pour le dépasser et poursuivre son chemin vers la Chine (Film 2, collaboration IPGP-GSI, Rolland et al, 2011).

Film 2 : A gauche, film des perturbations ionosphériques observées au dessus du Japon généré par le séisme de Tohoku (Rolland et al., 2011) et à droite, modélisation du tsunami généré par le séisme. Les observations sont réalisées par le réseau GPS GEONET, et chaque point est associé à un couple récepteur-satellite. © Collaboration IPGP-GSI-JAXA-CEA.

L’onde atmosphérique générée par le tsunami a été détectée non seulement au-dessus du Japon par les récepteurs GPS, mais aussi à Hawaii, environ 7h et demi après le séisme, et imagée pour la première fois grâce à la lueur du ciel associée aux réactions chimiques de recombinaison (airglow) (Film 3, collaboration Univ. Illinois-IPGP-CEA, Makela et al., 2011).  En effet, lorsqu’un ion O+ capte un électron et génèrent un atome d’oxygène, il perd de l’énergie en émettant un photon dans le rouge, à 630 nm de longueur d’onde. Le passage d’une onde de gravité atmosphérique perturbe cette réaction en transférant différemment son mouvement aux électrons et aux ions O+ de l’ionosphère qui ont des tailles et des masses différentes.

Film 3 : Le fond noir et blanc représente l’intensité de l’émission de l’airglow. Les points en couleur représentent les données de sondage par GPS ou par satellite (JASON2). © Collaboration Université d’Illinois-IPGP-CEA-Noveltis. Film des perturbations ionosphériques au dessus d’Hawaii, lors de l’arrivée du tsunami (Makela et al., 2011).

L’observation à Hawaii résulte de conditions exceptionnelles, car l’airglow depuis le sol ne peut être observé que par nuit sans lune et bien évidemment sans nuage : toutes ces conditions étaient réunies la nuit du 11 mars à Hawaii. 
Les premières modélisations de l’airglow (Collaboration IPGP-CEA-Univ Illinois, Occhipinti et al., 2011, Figure 1) permettent d’expliquer l’essentiel du signal observé et surtout de poser les bases de futures observations spatiales, qui pourront utiliser d’autres longueurs d’ondes lumineuses que l’airglow dans le rouge.


Figure 1 : Modélisation des perturbations ionosphérique au dessus d’Hawaii. © Collaboration Université IPGP-CEA-Univ Illinois (Occhipinti et al, 2011).

En utilisant les émissions dans l’ultra-violet,  il sera en effet possible d’observer ce signal de jour comme de nuit. Le rayonnement UV étant de plus absorbé par la couche d’ozone, cette dernière masquera alors les émissions solaires réfléchies par la Terre. Un tel système spatial permettra donc de détecter et de suivre les perturbations ionosphériques des tsunamis de demain, même si ces derniers ont lieu dans des endroits de la Terre bien moins instrumentés que le Japon.

Note(s): 
  1. La magnitude étant une grandeur logarithmique, lorsque que la magnitude augmente d'une unité, l’énergie du séisme est trente fois plus grande. Un saut de magnitude de 0.7 correspond alors à un facteur 10.
Source(s): 

Imaging and modeling the ionospheric airglow response over Hawaii to the tsunami generated by the Tohoku earthquake of 11 March 2011,
Makela, J. J., et al. (2011),
Geophys. Res. Lett., 38, L00G02, doi:10.1029/2011GL047860.

The resonant response of the ionosphere imaged after the 2011
Tohoku-Oki earthquake
,
Rolland, L.M., P.Lognonné,, E.Astafyeva, E. A. Kherani, N. Kobayashi, M. Mann and H. Munekane,
in press and online, Earth Planet. Sci., 2011.

Three-dimensional numerical modeling of tsunami-related internal gravity waves in the Hawaiian atmosphere,
Occhipinti, G., P. Coïsson, J. J. Makela, S. Allgeyer, A. Kherani, H. Hébert, and P. Lognonné,
in press, Earth Planet. Sci., 2011.

Contact(s):
  • Philippe Lognonné, Institut de physique du globe de Paris (IPGP) et Université Paris Diderot.
    lognonne [at] ipgp [dot] fr, 01 45 11 41 31
  • Hélène Hebert, CEA/DAM/DASE
    helene [dot] hebert [at] cea [dot] fr, 01 69 26 53 80
  • Giovanni Occhipinti, IPGP
    ninto [at] ipgp [dot] fr, 01 45 11 41 13

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