Le système GUARDIAN de la NASA détecte les tsunamis avant qu'ils ne frappent

Les minutes qui comptent dans l'alerte aux tsunamis

Lorsqu'un grand tremblement de terre sous-marin génère un tsunami, la fenêtre entre la détection et l'arrivée à terre peut être aussi courte que quinze minutes pour les communautés proches de l'épicentre. Chaque minute supplémentaire de temps d'alerte se traduit directement par des vies sauvées — les personnes qui atteignent les terres plus élevées, qui quittent la zone d'inondation, qui survivent à ce qui autrement devient un bilan de décès. La NASA a développé une technologie qui pourrait ajouter des minutes significatives à cette fenêtre en détectant la signature atmosphérique d'un tsunami avant que les réseaux conventionnels de capteurs marins ne puissent compiler et transmettre leurs données.

La technologie s'appelle GUARDIAN — Réseau d'Information en Temps Réel sur les Désastres de l'Atmosphère Supérieure GNSS et d'Alerte — et elle fonctionne selon un principe qui aurait semblé improbable jusqu'à récemment. Lorsqu'un tsunami se propage à travers l'océan, il crée des ondes de pression dans l'atmosphère au-dessus. Ces ondes atmosphériques se propagent vers le haut ainsi qu'horizontalement, atteignant l'ionosphère — la couche électriquement chargée de l'atmosphère supérieure — où elles créent des perturbations mesurables de la densité d'électrons qui affectent la propagation des signaux GPS traversant la couche.

Comment GUARDIAN détecte l'onde invisible

La constellation GPS qui permet la navigation sur Terre fonctionne également, dans le concept GUARDIAN, comme un capteur de tsunami accidentel. Chaque récepteur GPS sur Terre reçoit continuellement les signaux qui passent à travers l'ionosphère. Une onde de pression atmosphérique générée par un tsunami déforme légèrement mais mesurément l'ionosphère, introduisant des anomalies dans les données de propagation du signal GPS que les algorithmes entraînés peuvent détecter et distinguer de la variabilité ionosphérique de fond.

Parce que les signaux GPS sont reçus simultanément par des milliers de stations terrestres et des milliards d'appareils de consommation dans le monde entier, le système GUARDIAN peut agréger les données de perturbation ionosphérique à partir d'un réseau de capteurs dense et distribué globalement sans déployer de matériel dédié. Le défi du traitement est de distinguer les véritables signaux de tsunami du bruit de fond substantiel dans les données ionosphériques — un problème que les chercheurs de la NASA ont abordé grâce à des modèles d'apprentissage automatique entraînés sur des événements historiques de tsunami et leurs signatures ionosphériques caractéristiques.

Une nouvelle visualisation de données publiée par la NASA cette semaine démontre la capacité de détection de GUARDIAN en utilisant l'éruption volcanique du Hunga Tonga-Hunga Ha'apai en 2022 et le tsunami associé comme cas de test. La visualisation montre comment l'onde de pression atmosphérique de cet événement s'est propagée vers le haut à travers l'atmosphère et a créé des perturbations ionosphériques détectables qui se sont propagées devant l'onde physique du tsunami dans l'océan ci-dessous.

Des minutes de temps d'alerte supplémentaire

Lors de l'événement de Hunga Tonga, la détection ionosphérique de GUARDIAN aurait fourni environ 10 à 15 minutes de temps d'alerte supplémentaire par rapport aux capteurs de pression marine du réseau DART exploité par la NOAA. Pour les communautés à Hawaï et le long de la côte ouest des États-Unis, DART fournit les données d'alerte de tsunami primaires. Pour les communautés plus proches de la source — y compris les nations insulaires du Pacifique — la combinaison de temps de propagation courts et de limitations de densité du réseau DART signifie que tout alerte supplémentaire est particulièrement précieuse.

Le temps d'alerte supplémentaire vient de la physique de la propagation des ondes : les ondes de pression acoustiques et atmosphériques de la source du tsunami voyagent à la vitesse du son dans l'atmosphère, ce qui est plus rapide que la vitesse de l'onde du tsunami dans l'océan. GUARDIAN capture la signature atmosphérique, qui se propage plus rapidement, plutôt que d'attendre que l'onde physique atteigne un capteur de pression marin.

La NASA travaille actuellement avec la NOAA, qui exploite le système officiel d'alerte aux tsunamis des États-Unis, sur des protocoles d'intégration qui incorporeraient les données de GUARDIAN dans les alertes d'avertissement opérationnel. Les deux agences ont établi un groupe de travail conjoint qui évalue comment les détections de GUARDIAN doivent être pondérées aux côtés des données conventionnelles des capteurs marins dans le processus de décision d'alerte.

Élargissement de la capacité de détection

Le principe de détection ionosphérique que GUARDIAN applique à la détection de tsunami a des applications potentielles dans d'autres domaines des aléas géophysiques. Les éruptions volcaniques, les grandes explosions et les grands tremblements de terre génèrent tous des ondes de pression atmosphérique avec des signatures ionosphériques caractéristiques. L'infrastructure GPS mondiale identique qui permet la détection de tsunami de GUARDIAN pourrait être appliquée à ces autres aléas avec le développement approprié des algorithmes.

La NASA explore également si la sensibilité de la détection ionosphérique basée sur GPS peut être améliorée en déployant un réseau de stations de référence GPS dédiées dans les régions actuellement mal desservies par la densité des capteurs du réseau de récepteurs terrestres existant. La région des îles du Pacifique, où se trouvent de nombreuses communautés à risque, a une couverture de stations terrestres GPS relativement clairsemée comparée aux États-Unis continentaux et à l'Europe, limitant la résolution de la surveillance ionosphérique dans la zone de risque de tsunami la plus élevée.

L'équipe de GUARDIAN a publié sa méthodologie de détection et met les outils logiciels sous-jacents à la disposition de la communauté scientifique internationale, dans le but de permettre les efforts de développement parallèle dans les pays dotés de programmes spatiaux indépendants et de réseaux GPS terrestres. Le Japon, qui possède le réseau le plus dense de stations terrestres GPS au monde et fait face à certains des risques de tsunami les plus graves du monde, a déjà commencé à évaluer la méthodologie de GUARDIAN par ses propres programmes de recherche nationaux.

Partie d'une mission plus large de surveillance des catastrophes de la NASA

GUARDIAN représente l'un de plusieurs programmes de la NASA qui tirent parti de l'infrastructure spatiale existante pour les applications de surveillance des catastrophes terrestres et d'alerte précoce. Le programme ARIA de la NASA utilise les données de radar à ouverture synthétique des satellites pour cartographier les dégâts des tremblements de terre en temps quasi réel, tandis que la mission satellite GRACE-FO surveille l'épuisement des eaux souterraines et a été appliquée aux applications d'alerte précoce aux sécheresses. Le fil conducteur à travers ces programmes est la réaffectation de l'infrastructure scientifique basée dans l'espace au bénéfice sociétal pratique — un mandat que la NASA a de plus en plus souligné comme faisant partie intégrante de sa mission aux côtés de la science fondamentale et de l'exploration humaine.

Cet article est basé sur des reportages de la NASA. Lire l'article original.