Tsunamimètre à Contenu Electronique Total Ionospherique – ITEC

Pour étudier les signatures ionosphériques des tsunamis, le projet ITEC a combiné plusieurs approches complémentaires. Les chercheurs ont d’abord analysé les signaux transmis par les satellites de navigation (GNSS), dont la propagation est modifiée lorsque l’ionosphère est perturbée par le passage d’ondes générées par un tsunami. Ces observations ont été utilisées pour identifier et caractériser les perturbations associées à différents événements tsunamigènes à travers le monde.

Les données GNSS ont été complétées par des simulations numériques permettant de modéliser la propagation des tsunamis dans l’océan, des ondes de gravité ou acoustiques dans l’atmosphère et leurs effets dans l’ionosphère. Ces modèles ont permis de mieux comprendre les mécanismes à l’origine des perturbations observées et d’évaluer leur potentiel pour la surveillance des tsunamis.

Le projet s’est également appuyé sur le développement de nouveaux outils logiciels pour le traitement des données GNSS et la constitution d’une base de données regroupant les signatures ionosphériques de 22 tsunamis observés à l’échelle mondiale. Cette ressource facilite la comparaison entre événements et le développement de nouvelles méthodes d’analyse.

Enfin, une partie importante du projet a été consacrée à la conception et aux tests d’une instrumentation GNSS à faible coût. Des stations multi-constellations capables de transmettre les données en temps réel ont été développées puis testées en laboratoire et en environnement marin. Ces expérimentations ont permis d’évaluer la faisabilité d’un futur capteur embarqué dédié à l’observation des tsunamis et plus largement des interactions entre l’océan, l’atmosphère et l’ionosphère.

Le projet ITEC a permis de démontrer le potentiel des observations GNSS pour l’étude des tsunamis et de leurs effets dans l’ionosphère. Les travaux réalisés ont conduit au développement de nouvelles méthodes d’analyse des perturbations ionosphériques observées après des séismes et des tsunamis, contribuant à une meilleure compréhension des mécanismes de couplage entre l’océan, l’atmosphère et l’ionosphère.

Les chercheurs ont constitué la plus grande base de données homogène de signatures ionosphériques de tsunamis disponible dans le cadre du projet ITEC . Cette ressource rassemble 50 détections validées issues de 22 événements tsunamigènes observés à travers le monde. Elle constitue aujourd’hui un outil de référence pour l’étude des perturbations ionosphériques associées aux tsunamis et pour le développement de futures méthodes de surveillance.

Le projet a également permis d’exploiter les observations GNSS pour mieux localiser les perturbations générées par les grands séismes et les tsunamis. Les résultats obtenus montrent que ces observations apportent des informations complémentaires aux réseaux sismologiques et aux instruments océaniques traditionnellement utilisés pour la surveillance des aléas naturels.

L’éruption du volcan Hunga Tonga–Hunga Ha’apai en janvier 2022 a constitué une opportunité scientifique exceptionnelle. Les méthodes développées dans le projet ont été appliquées à l’analyse des perturbations observée à l’échelle mondiale dans l’atmosphère et l’ionosphère. Ces travaux ont donné lieu à plusieurs publications internationales et ont contribué à améliorer la compréhension des effets des événements géophysiques extremes sur l’ensemble du système Terre.

Sur le plan technologique, le projet a permis le développement d’une station GNSS multi-constellations à faible coût capable de transmettre des données en temps réel. Un prototype adapté aux applications marines a été conçu et testé en conditions réelles à bord de navires. Ces expérimentations ont démontré la faisabilité de solutions GNSS embarquées destinées à l’observation de l’océan et de l’ionosphère.

Le projet a également contribué à la formation de jeunes chercheurs avec la réalisation de deux thèses de doctorat. Les résultats obtenus se poursuivent aujourd’hui à travers de nouvelles collaborations internationales et plusieurs projets consacrés à l’observation des interactions entre l’océan, l’atmosphère et l’espace proche de la Terre, ainsi qu’au développement de réseaux GNSS pour la surveillance des aléas naturels.

Les résultats du projet ITEC ouvrent la voie à une nouvelle génération d’outils de surveillance fondés sur les observations GNSS. Les travaux futurs viseront à améliorer les méthodes permettant d’estimer automatiquement les caractéristiques d’un tsunami à partir des perturbations observées dans l’ionosphère et à intégrer ces informations dans des systèmes de surveillance multi-capteurs.

Les développements instrumentaux réalisés constituent également une base pour le déploiement de réseaux GNSS à faible coût en environnement marin. Ces travaux se poursuivent aujourd’hui dans le cadre du projet européen GO-EUREKA et du projet GeTEWS Oceania, consacré au développement d’un réseau GNSS fédératif dans la région Pacifique. Ces infrastructures permettront de mieux observer les interactions entre l’océan, l’atmosphère et l’ionosphère, tout en renforçant les capacités de surveillance des tsunamis, des séismes et d’autres phénomènes géophysiques extrêmes.

Au-delà des applications liées aux tsunamis, les méthodes et outils développés dans ITEC contribueront à une meilleure compréhension du fonctionnement du système Terre et de ses réponses aux événements naturels majeurs.

Actuellement, les systèmes d'alerte tsunami ne peuvent pas fournir les mesures directes du tsunami nécessaires pour une alerte fiable (multi-points), en champ local (côtes à moins de deux heures de la source) et avec une couverture globale. Ceci est dû principalement au nombre limité de moyens d’observation dédiés dans les océans. Le principal réseau de capteurs existant (DART) dépend de bouées en surface particulièrement coûteuses à installer et maintenir, limitant de facto sa capacité. Ce réseau a pourtant été fortement développé depuis le « mega »-tsunami de Sumatra-Andaman de 2004 et la prise de conscience qu’une alerte fiable aux tsunami dépend de mesures en plein océan de la vague. Mais le simple fait que le réseau DART se limite à moins d’une cinquantaine de points de mesure pour l’ensemble du globe permet de comprendre qu’il n’offre qu’une protection que partielle face à ce risque naturel. Ainsi le système d’alerte aux tsunami continu d’être régulièrement pris en défaut. Ce fut par exemple le cas à deux reprises en 2018 en Indonésie.

Plusieurs études récentes ont montré qu’il était possible de mesurer un tsunami par son empreinte dans l'ionosphère, une couche supérieure de l'atmosphère ionisée par les radiations solaires. Or, le suivi quasi temps-réel de l’ionosphère, et donc de vagues tsunami, peut se faire à l'aide de systèmes de navigation par satellites GNSS, tels que GPS et Galileo, et de récepteurs au sol. Un système de ce type qui ne dépendrait que de récepteurs terrestres serait, tout comme le réseau DART, limité dans son emprise spatiale car les récepteurs sont inégalement répartis dans le monde et limités aux zones émergées. Le projet ITEC vise à combler cette lacune grâce à la mise au point d'un récepteur GNSS adapté qui soit abordable, polyvalent et conçu pour un déploiement en mer, sur des bouées et/ou des navires existants. Le dispositif sera conçu pour mesurer à la fois l'onde du tsunami au niveau de l’océan et sa signature dans l'ionosphère .

Pour mettre en œuvre ce projet, trois axes de développement seront coordonnés: (1) amélioration et mise à l’épreuve de la méthode de détection ionosphérique des tsunamis, (2) implémentation des calculs et de la transmission en temps réel à bord du prototype, (3) conception, intégration et tests du prototype en laboratoire puis en conditions réelles. Le prototype combinera un récepteur GNSS et un capteur inertiel miniature et pourra soit intégrer sa propre antenne GNSS ou juste s'adapter sur les antennes GNSS déjà présentes sur les bouées et navires. Ainsi contrairement au système DART, le futur dispositif ITEC pourra être mis en place rapidement à grande échelle et ne se limitera pas aux tsunami initiés par de forts séismes.