Un vendredi après-midi du printemps 2011, le tremblement de terre de Tōhoku-Oki a secoué le nord-est du Japon pendant six minutes et a déplacé l'île principale du pays de 8 pieds. Minutes plus tard, les résidents ont commencé à recevoir des alertes au tsunami par le biais des médias audiovisuels, téléphones portables et sirènes.

Mais les alertes initiales ont sous-estimé la taille des vagues et de nombreuses personnes n'ont pas réussi à évacuer suffisamment haut pour échapper aux vagues qui ont balayé certaines parties de la côte – certaines à des hauteurs allant jusqu'à 120 pieds.

Au sortir de la catastrophe, Le Japon a installé un réseau de capteurs sismiques et de pression au fond de l'océan qui a élevé la barre des systèmes d'alerte précoce aux tsunamis dans le monde entier. Maintenant, de nouvelles recherches par des scientifiques de l'École de la Terre, Energy &Environmental Sciences (Stanford Earth) suggère comment les avertissements basés sur le flux de données en temps réel provenant de capteurs comme ceux du Japon pourraient être rendus plus précis en les combinant avec des simulations de tsunami.

Publié dans la revue à comité de lecture Lettres de recherche géophysique , l'étude décrit une nouvelle méthode conçue spécifiquement pour les alertes locales précoces aux tsunamis. "Cela signifie avertir les habitants de la côte qu'une vague de tsunami générée à 50 ou 100 milles au large arrivera dans les 20 à 30 prochaines minutes, " a déclaré l'auteur principal Eric Dunham, professeur agrégé de géophysique à Stanford Earth.

Ici, Dunham et l'auteur principal Yuyun Yang, doctorant au Stanford's Institute for Computational &Mathematical Engineering, discuter de leur méthode et comment à l'avenir elle pourrait même être appliquée dans des endroits dépourvus de capteurs offshore dédiés, qui ne sont actuellement déployés qu'au Japon.

Comment fonctionnent les systèmes d'alerte aux tsunamis aujourd'hui ?

Eric Dunham :Les systèmes d'alerte aux tsunamis actuels commencent par une estimation des propriétés sismiques des ondes sismiques, puis utiliser des relations pré-calculées entre les tremblements de terre et les tsunamis qu'ils génèrent.

La plupart des tsunamis sont causés par un tremblement de terre au large des côtes qui pousse l'océan vers le haut ou vers le bas. Comme la gravité ramène l'eau vers l'équilibre, un tsunami est né. Mais les tsunamis peuvent également être générés par d'autres moyens. Glissements de terrain sous-marins, qui pourraient accompagner un tremblement de terre ou se produire indépendamment, sont un exemple classique. Les systèmes d'alerte traditionnels ignorent complètement les tsunamis de ces types de sources.

En quoi votre méthode est-elle différente ?

Yuyun Yang :Alors qu'une vague de tsunami traverse l'océan, il modifie la pression dans toute la colonne d'eau. Notre méthode reconstruit la surface de l'océan et estime la hauteur des vagues en fonction de la pression détectée par les capteurs offshore au passage du tsunami.

Dunham :Yuyun a compris comment appliquer une technique d'assimilation de données, connu sous le nom de filtre de Kalman d'ensemble, reconstruire rapidement le champ d'ondes du tsunami à un moment donné, utilisez ensuite des simulations de propagation des vagues de tsunami pour prédire comment les vagues se développent à mesure qu'elles se déplacent vers la terre, fournissant finalement des prévisions de la hauteur des vagues et de l'heure d'arrivée à la côte.

Yang :Nos prévisions commencent à se stabiliser en quelques minutes. Cela laisse 10 à 20 minutes aux agences gouvernementales pour émettre des avertissements et aux résidents pour évacuer.

Dunham :une méthode d'assimilation de données similaire proposée pour une utilisation dans le système d'alerte du Japon, appelée interpolation optimale, propose des prédictions similaires, mais avec moins de précision et de cohérence dans certains cas. Les prédictions avec cette méthode peuvent fluctuer en fonction du moment où la prévision est faite. Une prévision dira, "La vague va faire 10 pieds de haut." Deux minutes plus tard :"La vague fait 3 pieds de haut." Notre approche réduit ces fluctuations, en particulier lorsque les capteurs offshore sont éloignés les uns des autres.

Les méthodes d'assimilation de données sont plus coûteuses en calculs que les méthodes traditionnelles basées sur les ondes sismiques, mais ils fournissent des prévisions qui deviennent de plus en plus précises avec l'assimilation continue des données.

Les méthodes sismiques traditionnelles pourraient être utilisées pour émettre les premiers avertissements, et ensuite une méthode comme la nôtre pourrait être utilisée pour mettre à jour ces prévisions. Les approches sont complémentaires.

La technique d'assimilation de données que vous avez appliquée n'est pas nouvelle. Pourquoi cette approche n'a-t-elle pas été appliquée aux systèmes d'alerte aux tsunamis auparavant ?

Dunham :Cette nouvelle technologie – des capteurs offshore connectés via un câble à fibre optique à la terre – permet aux données de diffuser en temps quasi réel vers des ordinateurs où elles peuvent être traitées et utilisées dans des systèmes d'alerte.

Ces réseaux de capteurs sont extrêmement coûteux à déployer et à entretenir, et les scientifiques et les ingénieurs sont aux prises avec des complications avec les données. Les marées, courants, les changements de température et de salinité peuvent amener ces instruments à vous dire qu'il y a un changement de pression ou de hauteur de vague alors qu'il n'y en a pas. Mais tant que vous avez une estimation de l'incertitude dans les données, alors la méthode peut vous dire comment utiliser au mieux ces données.

Vous avez testé votre méthode sur une simulation de tsunami car il se déroulerait probablement au large de Washington, Oregon et Colombie-Britannique. Est-ce qu'un système qui s'avère efficace là-bas est susceptible d'être tout aussi efficace en Californie, Indonésie, Japon ou ailleurs ?

Yang :La physique est la même partout, mais la plupart des régions n'ont pas installé les baies câblées qui permettraient de mettre en œuvre cette méthode.

Dunham :                                                                                            . Le Japon est le seul pays à avoir décidé d'investir dans cette technologie à des fins d'alerte précoce, probablement parce qu'ils ont des tremblements de terre et des tsunamis si fréquemment et parce que l'événement de 2011 a été si catastrophique.

Existe-t-il des solutions moins coûteuses à l'horizon ?

Dunham :Il existe une possibilité intéressante d'utiliser les câbles à fibres optiques existants qui couvrent de nombreux fonds océaniques. La plupart de ces câbles à fibres optiques n'ont pas de capteurs de pression de fond, mais il peut y avoir des moyens de mesurer l'étirement induit par les vagues de ces câbles pour potentiellement obtenir une estimation de la pression et de la hauteur des vagues.

Yang :Une autre possibilité est d'utiliser des stations GPS sur les navires commerciaux, qui mesurent la hauteur d'eau à un endroit donné en mer. Notre approche pourrait être appliquée aux données provenant de l'une ou l'autre de ces sources.

Pourquoi ne pas simplement utiliser le tremblement de terre lui-même comme un avertissement ?

Dunham : C'est l'approche recommandée dans les pays sans instrumentation avancée :si vous ressentez des secousses fortes et durables, atteindre les hauteurs. Mais si vous pouvez fournir des prévisions plus quantitatives, de nombreuses personnes et agences pourront utiliser ces informations. Si vous exploitez une centrale nucléaire avec une digue d'une certaine hauteur, il peut être important que la vague fasse 10 pieds de haut ou 12 pieds de haut.

Yang :Pendant le tremblement de terre de Tōhoku, beaucoup de gens se sont échappés vers un terrain plus élevé, comme le toit, mais ils ne sont pas allés assez haut. Ils ont été évacués plus tard et se sont noyés. Un avertissement précis leur dira exactement à quelle hauteur ils doivent aller.