Contrairement à la gravimétrie et au magnétisme, il n’est pas encore possible de faire de la sismologie depuis l’espace et de voir ainsi les ondes sismiques se propager à la surface de la terre comme l’on peut voir l’onde générée par un caillou lancé dans une mare sous la forme de ronds-dans-l’eau... Les perspectives d’une télédétection sismique seraient cependant très intéressantes, en particulier pour les tomographies de la croûte et de la lithosphère, souvent limitées par le nombre de stations sismiques. Il en est de même pour le suivi des tsunamis en haute mer, pour lesquels des réseaux denses de capteurs de pression de fond de mer ou de capteurs de niveaux de mer semblent difficilement envisageables.

Lorsque les ondes sismiques arrivent à la surface, elles génèrent des vibrations de la surface terrestre qui, tel un haut-parleur, crée alors une onde acoustique. La différence de vitesse de propagation entre les ondes de Rayleigh (3.5-4 km/s) et les ondes sonores (330 m/s) est telle que l’onde acoustique se propage presque verticalement, montant progressivement vers l’ionosphère terrestre, cette partie de l’atmosphère terrestre ionisée par le rayonnement solaire et située au delà de 120 km d’altitude. Mais l’ionosphère se comporte comme un amplificateur naturel de ces signaux : les ondes infrasoniques sont assez peu sensibles à la viscosité de l’atmosphère et se propagent en conservant en moyenne leur énergie cinétique. Leur amplitude augmente donc au fur et à mesure que la densité décroît et pour un séisme de magnitude 7, la vitesse des oscillations ionosphériques peut dépasser la dizaine de m/s. Ces mouvements de l’ionosphère sont détectables, soit par la mesure, à l’aide de sondeurs ionosphériques, des déplacements verticaux de l’ionosphère, soit par celle des variations de la densité d’électron (voir le projet SPECTRE). Les réseaux denses de récepteurs déployés au Japon par le GSI permettent même d’imager les perturbations, et nous ont permis de voir après certains séismes des ronds-dans-l’ionosphère se propageant à la vitesse des ondes acoustiques. A plus grandes distances, les ondes de surface sont aussi observées. Si l’étape ultime, à savoir l’imagerie très fine des fronts d’ondes de surface dans l’ionosphère et leur interprétation sismologique reste encore à faire, ces premiers résultats ouvrent de nouvelles perspectives en sismologie, y compris en sismologie planétaire, avec la possibilité de détecter par exemple des séismes sur Venus à partir d’un orbiteur.

Observation de l’onde acoustique au dessus du Japon après le séisme de Kii (Magnitude 6.9, 5/09/2004). Cette onde génère des perturbations du contenu Total Electronique détectées par les récepteurs GPS bifréquenciels du réseau du GSI.

Des signaux comparables sont observés dans l’ionosphère lors de la propagation des tsunamis. La première détection fut réalisée avec le réseau Japonais du GSI, lorsque le tsunami généré par le grand séisme du Pérou en 2001 atteignit les côtes japonaises. De nouvelles observations furent réalisées lors du tsunami meurtrier de Sumatra, en décembre 2004 : nous avons pu alors modéliser ces perturbations et avons montré que l’amplitude des signaux peut être reliée à l’amplitude du tsunami en pleine mer... La surveillance de l’ionosphère permettrait ainsi de compléter les futurs systèmes de surveillance des tsunamis. En s’ajoutant aux moyens de sondage déjà existants (réseaux sismiques, réseaux de bouées et de capteurs de pression sous-marins), une couverture plus vaste, mondiale et permanente permettrait une réelle surveillance des océans.

Les deux figures montrent la densité totale d'électrons de l'ionosphère obtenue par des modélisations de l’effet du tsunami de Sumatra sur l’ionosphère. Celle de gauche montre la situation de l'ionosphère non perturbée. Celle de droite, la carte avec les perturbations générées par le tsunami. Les anomalies modélisées ont été retrouvées avec un très bon accord sur les profils ionosphériques mesurés par les satellites Topex –Poseïdon et Jason-1.

Ces travaux se font en collaboration avec NOVELTIS, une PME Toulousaine, l’ONERA et le CEA/DASE, le GSI au Japon et le JPL aux USA.

Membres de l’équipe impliqués:
Coordinateurs:
P. Lognonné
G. Occhipinti

Etudiants et Post-doc:
L. Rolland
P. Coisson
E. Astafyeva
D. Allain