29 Avril 2021

Sismologie ionosphérique : éthique et perspectives scientifiques

Prédire les séismes grâce aux satellites ? Certains en rêvaient. Une étude de l’Institut de physique du globe de Paris publiée dans Journal of Geophysical Research met à mal cette chimère, tout en augurant un futur spatial à la sismologie.
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Impacts du séisme et du tsunami de 2011 au Japon. Crédits : Stocktrek Images.

 

2009. Un séisme de magnitude 6,3 secoue le centre de l’Italie, faisant plus de 300 morts. La ville la plus touchée est L’Aquila. Six scientifiques sont condamnés à 6 ans de prison ferme pour homicide involontaire. Selon l'acte d'inculpation, les experts sont accusés d'avoir fourni « des informations inexactes, incomplètes et contradictoires » sur des secousses de faible intensité, ressenties des semaines, des mois, avant. Cette sentence — annulée 2 ans plus tard — provoque un choc parmi les sismologues du monde entier.

Pour éviter qu’un tel emballage judiciaire et médiatique ne se reproduise, mais aussi circonscrire les limites scientifiques et financements liés, deux chercheurs de l’Institut de physique du globe de Paris (IPGP) ont publié une étude montrant l’impossibilité de prédire des tremblements de terre avec des données issues de satellites. « Depuis 10 ans, des publications scientifiques soutiennent qu’il est possible de prévoir les séismes, mais aussi leur magnitude, 20 à 40 minutes avant leur déclenchement grâce à l’observation de perturbations électriques dans l’ionosphère. C’est faux ! Nos résultats prouvent que cette théorie, bien que porteuse d’espoir, est mal-fondée » explique Giovanni Occhipinti, chercheur à l’IPGP et co-auteur de l’étude publiée le 3 avril 2021 dans Journal of Geophysical Research. Leur étude est basée à la fois sur l'analyse de données et des simulations. « Il est très facile de faire apparaitre une augmentation miraculeuse des perturbations ionosphériques avant le déclenchement d'un séisme, simplement en jouant sur les paramètres des courbes de synthèse. Notre étude était plus un défi éthique que scientifique. Nous espérons qu’elle va clore le débat. »

Giovanni Occhipinti, chercheur à l’Institut de physique du globe de Paris. Crédits : Ninto.

Détecter les séismes depuis l’espace

Ce qui est par contre établi, c’est que les tremblements de terre perturbent l’ionosphère, environ 8 minutes après la rupture d’une faille. Lors d’un séisme, l’atmosphère vibre avec la Terre. Quand les ondes gravi-acoustiques générées (mélange d’ondes acoustiques et d’ondes de gravité) atteignent l’ionosphère, elles modifient la densité des particules ionisées (ions et électrons), notamment sa bande la plus chargée située à 300 km d’altitude. Ces modifications ionosphériques vont, à leur tour, perturber la propagation des ondes électromagnétiques émises par les constellations de satellites GNSS (Global Navigation Satellite System) :  GPS, Galileo, Glonass et Beidou.

Dans 3 articles publiés dans Nature Scientific Reports en 2018, 2020 et 2021, l’équipe de Giovanni Occhipinti a montré que l’intensité de perturbation des signaux des satellites GNSS (mesurées par le TEC, le « Total Electron Content ») est reliée à :

  • l’énergie de la vibration du sol,
  • au volume d’eau déplacée lors de la genèse du tsunami. 

Ces travaux ouvrent un nouveau champ de recherche, celui de la sismologie ionosphérique.

Principe de détection des perturbations ionosphériques par les satellites GNSS. Crédits : Eisenbeis & Occhipinti, 2021 modifié CNES.

Exemple de signatures ionosphériques repérées par les varitations du TEC lors du séisme de 2011 au large de l'île japonaise de Tohoku. Crédits : Occhipinti, 2015.

Le futur de la sismologie sera-t-il spatial ?

Les tremblements de terre ne sont pas les seuls phénomènes naturels à perturber l’ionosphère : les éruptions volcaniques et les tsunamis aussi. Ces derniers sont actuellement au coeur de recherches de l’IPGP avec en perspective l’amélioration des alertes tsunami. « Ce qui nous intéresse, c’est de déterminer si l'on peut estimer la hauteur des vagues des tsunamis à partir des vibrations repérées dans l’ionosphère » indique Giovanni Occhipinti. Pour y arriver, le physicien prévoit de mobiliser non seulement les satellites GNSS mais également des satellites situés beaucoup plus haut, en orbite géostationnaire. 

« Avec le CNES, nous travaillons sur le projet IONOGLOW, actuellement en phase 0 (NDLR : étude préliminaire), pour équiper un satellite géostationnaire d’un imageur « airglow » afin d’observer en continu l’ionosphère au-dessus du Pacifique, l’océan avec le plus de tsunamis. Ses filtres étroits dans le rouge (630 nm) et l’UV (135,6 nm) lui permettaient de déterminer, de jour comme de nuit, avec un échantillonnage temporel de l'ordre de la minute, la densité des ions O+ en mesurant leur luminescence. » Couplé au système d’alerte sismique, il serait alors possible de confirmer ou d’infirmer la pré-alerte tsunami générée par les réseaux sismiques et compléter les réseaux des bouées et marégraphes.


Le saviez-vous ?

Les satellites altimétriques sont aussi capables de détecter la signature des tsunamis dans l’ionosphère. En 2004, Topex/Poséidon et Jason-1 ont mesuré à la fois le déplacement océanique et la perturbation ionosphérique du tsunami géant et meurtrier qui a suivi l’évènement sismique de Sumatra-Andaman. Comme pour les satellites GNSS, le « Total Electron Content » (TEC) est en effet estimé pour corriger les observations altimétriques.

 

Modélisation des perturbations « airglow » (luminescence des ions O+) de l’ionosphère provoquées par la propagation du tsunami japonais de 2011. Crédits : Occhipinti et al., 2011.

PUBLICATION

J. Eisenbeis and G. Occhipinti, The TEC enhancement before seismic events is an artifact, Journal of Geophysical Research, 03 April 2021.
doi: 10.1029/2020JA028733

CONTACTS

  • Giovanni Occhipinti, Institut de Physique du Globe de Paris : ninto at ipgp.fr
  • Mioara Mandea, Responsable de la thématique « Géophysique interne, géodynamique et géodésie » au CNES : mioara.mandea at cnes.fr