phases du tsunami

Initialisation

Un tsunami résulte souvent d’un changement brusque de la topographie de l’océan, par exemple un séisme dû au mouvement des plaques tectoniques, ou un glissement de terrain. Il peut aussi survenir suite à l’impact d’une météorite. La relation entre la hauteur d’un tsunami et la force du séisme est complexe. Cela dépend fortement des déplacement relatifs (vitesse, accélération) des plaques pendant le séisme : un grand déplacement qui reste lent créera une petite vague. Comme les séismes, les tsunamis sont difficilement prédictibles, ce qui rend l’évacuation délicate.


Cliquez sur l’image pour voir l’interview de Martin Vallée, chercheur à l’Institut du Globe de Paris.

Propagation

Une fois le tsunami déclenché, on entre dans la phase dite de propagation. Contrairement à ce que l’on pourrait penser, la vague de tsunami dans l’océan n’est pas visible. En effet, sa hauteur ne dépasse pas 50 cm et la vague s’étale sur 100 km! Un bateau ne la remarquerait pas, c’est pourquoi, on a longtemps pensé que les tsunamis se formaient près des côtes. Les marins partis en haute mer ne remarquaient pas le tsunami jusqu’à qu’ils rentrent au port et trouvent tout dévasté! En revanche, si le tsunami reste peu visible en haute mer, il se déplace très vite, jusqu’à 800 km/h (preque la vitesse du son!). Ainsi, l’évacuation est presque impossible pour les tsunamis qui se déclarent trop près des côtes.

Cliquez sur l’image pour voir l’interview de Pierre-Yves Lagrée, chercheur à l’université Pierre et Marie Curie.



Déferlement

En se rapprochant des côtes, le tsunami ralentit, et en même temps sa hauteur augmente jusqu’à valoir quelques mètres. Des géographies particulières de côte peuvent faire augmenter cette hauteur jusqu’à 60m. Généralement, la vague de tsunami n’est pas significativement plus grande qu’une vague ordinaire, mais contrairement à elle, la vague de tsunami transporte des quantités d’eau astronomiques, et peut donc pénétrer la terre et faire des ravages.

Cliquez sur l’image pour voir l’interview de Pierre-Yves Lagrée, chercheur à l’université Pierre et Marie Curie.

Modelisation/simulation

Cette vidéo est le résultat d'un calcul effectué sur un ordinateur, d'une simulation numérique et non pas de la restitution d'images de satellite. En couleur est représenté l'altitude de la surface de l'océan (en rouge une sur-élévation). Reste à savoir comment on obtient de telles images. Il faut tout d'abord construire un modèle mathématique qui décrit bien le phénomène, puis utiliser un algorithme.

Cliquez sur l'image pour voir l'interview de Jacques Sainte-Marie, chercheur à l'INRIA Paris dans l'équipe ANGE.

Modélisation

La modélisation des tsunamis est loin d'être simple. Un tsunami est composé de trois phases : initialisation, propagation et déferlement. Les échelles spatiales et temporelles étant très différentes pour les trois phases, il est difficilement possible d'avoir une vision globale du phénomène. Le tsunami est un phénomène physique décrit par la mécanique des fluides et dont la modélisation fait apparaître des équations compliquées, dites "équations aux dérivées partielles" Les solutions des équations sont des fonctions de plusieurs variables (temps et espace). Ces équations de la mécanique des fluides reposent sur des principes simples : conservation de la masse, conservation de l'énergie, seconde loi de Newton (accélération proportionnelle à le somme des forces appliquées au système). Néanmoins leur résolution est très compliquée. Il faut donc utiliser des méthodes numériques. L'objectif est alors de réduire les coûts de calculs, en utilisant des modèles plus simples. L'un des plus utilisés pour la propagation des tsunamis est le modèle d'un écoulement peu profond. Cela peut sembler contre-intuitif : en effet on aurait tendance à dire qu'un écoulement dans un océan est forcément profond. Il faut en fait comparer des grandeurs caractéristiques : par exemple la profondeur de l'océan et la longueur d'onde du tsunami (distance entre deux vagues). Un tsunami peut avoir une longueur d'onde pouvant dépasser les 100 km. Dans un océan d'une profondeur de 4000m par exemple, le rapport des deux longueurs donne 0.04, on voit donc que l'hypothèse d'un écoulement peu profond est valide. En faisant cette approximation et en utilisant par exemple le modèle de Saint-Venant, on trouve que la vitesse du tsunami dépend principalement de l'accélération de la pesanteur g (environ 10 m/s2), et de la profondeur d'eau h.

Précisément, la vitesse du tsunami vaut la racine de la hauteur multipliée par l'accélération de la pesanteur. C'est pourquoi un tsunami se propage très vite au large et ralentit considérablement sur les côtes.


Choisis la profondeur de l'océan en m

Simulation numérique

Une fois le modèle mathématique construit, on peut passer à la simulation numérique. Ces simulations sont très importantes. Tout d'abord en faisant un faisceau de simulations, on peut savoir quels scenarii sont susceptibles de se produire et modifier les infrastructures en conséquence. De plus, les simulations apportent aussi une meilleure compréhension des phénomènes physiques. Une simulation numérique consiste à faire des calculs avec un ordinateur à travers le modèle mathématique grâce à un algorithme. Pour simuler un tsunami il y a plusieurs étapes. Il faut tout d'abord définir le fond marin et les conditions initiales dûes au séisme. Il faut ensuite discrétiser le problème pour permettre à l'ordinateur de réaliser les calculs, c'est-à-dire découper la région de l'espace où se propage le tsunami en plusieurs (petites) parties (appelées cellules) et définir un (petit) pas de temps. Pour que la simulation soit viable, elle doit remplir plusieurs conditions. D'abord, elle doit être convergente : quand les cellules en espace et le pas de temps deviennent de plus en plus petits, il faut que la solution numérique s'approche de plus en plus de la solution exacte. Mais il faut aussi que le temps de calcul soit raisonnable. Or plus les cellules en espace et le pas de temps sont petits, plus l'ordinateur doit faire de calculs, et plus le temps de calcul global sera long. Si à chaque pas de temps, il y a une petite erreur, ces erreurs peuvent s'accumuler et donner un résultat physique aberrant. Pour prendre un exemple simple, si on fait une simulation du mouvement d'un pendule, et que le pendule se met à osciller de plus en plus fort, la simulation n'est pas stable.


Tsunamis historiques

Cette carte contient des simulations et des faits sur sept catastrophes causées par des tsunamis. Trouve les en cliquant sur leur localisation!

map

















validation/applications

Cliquez sur l'image pour voir l'interview de Sara Lafuerza, chercheur à l'université Pierre et Marie Curie.

Cliquez sur l'image pour voir l'interview de Anne Mangeney, chercheur à l'Institut de physique du Globe de Paris.



Comme les séismes, les tsunamis restent difficiles à prévoir. Des bouées placées dans l’océan profond qui enregistrent les variations du niveau de l’eau peuvent détecter la propagation d’un tsunami et prévenir rapidement les systèmes d’alertes. Une autre approche pour réduire l’impact potentiel d’un tsunami est de construire des scénarios réalistes des séismes, dans le but de calculer la propagation des vagues générées et leur arrivée sur la côte. Une modification des infrastructures peut alors être organisée. Il est très important de réaliser ce travail car aujourd’hui près d’un tiers de la population vit au bord des côtes, donc dans des zones potentiellement à risques.



Des bouées DART (points noirs) placées sur la côte chilienne pour permettre des alertes au tsunami.

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