- Qu’est-ce qu’un tsunami ?
- La physique d’un tsunami
- Qu’arrive-t-il à un tsunami lorsqu’il s’approche de la terre ?
- Comment mesure-t-on ou observe-t-on les tsunamis ?
- Le tsunami de l’océan Indien du 26 décembre 2004
Qu’est-ce qu’un tsunami ?
Un tsunami est une série de vagues océaniques de très grande longueur d’onde (généralement des centaines de kilomètres) causées par des perturbations à grande échelle de l’océan, telles que :
- séismes terrestres
- glissement de terrain
- éruptions volcaniques
- explosions
- météorites
Ces perturbations peuvent soit provenir d’en dessous (par ex.par exemple, des séismes sous-marins avec de grands déplacements verticaux, des glissements de terrain sous-marins) ou d’en haut (par exemple, des impacts de météorites).
Le tsunami est un mot japonais dont la traduction anglaise est : “vague portuaire”. Dans le passé, les tsunamis ont été appelés “raz-de-marée” ou “vagues sismiques de mer”. Le terme “raz-de-marée” est trompeur ; même si l’impact d’un tsunami sur une côte dépend du niveau de la marée au moment où le tsunami frappe, les tsunamis n’ont aucun lien avec les marées. (Les marées résultent des influences gravitationnelles de la lune, du soleil et des planètes). L’expression “vague de mer sismique” est également trompeuse. “Sismique” implique un mécanisme de génération lié à un tremblement de terre, mais un tsunami peut aussi être causé par un événement non sismique, comme un glissement de terrain ou l’impact d’une météorite.
Les tsunamis sont aussi souvent confondus avec les ondes de tempête, alors qu’il s’agit de phénomènes très différents. Une onde de tempête est une élévation rapide du niveau de la mer côtière causée par un événement météorologique important – ceux-ci sont souvent associés aux cyclones tropicaux.
La physique d’un tsunami
Les tsunamis peuvent avoir des longueurs d’onde allant de 10 à 500 km et des périodes d’onde allant jusqu’à une heure. En raison de leurs grandes longueurs d’onde, les tsunamis agissent comme des vagues d’eau peu profonde. Une vague devient une vague d’eau peu profonde lorsque sa longueur d’onde est très grande par rapport à la profondeur de l’eau. Les vagues d’eau peu profonde se déplacent à une vitesse, c, qui dépend de la profondeur de l’eau et est donnée par la formule :
où g est l’accélération due à la gravité (= 9,8 m/s2) et H est la profondeur de l’eau.
Dans l’océan profond, la profondeur d’eau typique est d’environ 4000 m, un tsunami se déplacera donc à environ 200 m/s, soit plus de 700 km/h.
Pour les tsunamis qui sont générés par des tremblements de terre sous-marins, l’amplitude du tsunami est déterminée par la quantité dont le plancher océanique est déplacé. De même, la longueur d’onde et la période du tsunami sont déterminées par la taille et la forme de la perturbation sous-marine.
En plus de se déplacer à grande vitesse, les tsunamis peuvent également parcourir de grandes distances avec des pertes d’énergie limitées. Au fur et à mesure que le tsunami se propage dans l’océan, les crêtes des vagues peuvent subir une réfraction (courbure), qui est causée par des segments de la vague se déplaçant à des vitesses différentes lorsque la profondeur de l’eau le long de la crête de la vague varie.
Qu’arrive-t-il à un tsunami lorsqu’il s’approche de la terre ?
Lorsqu’un tsunami quitte les eaux profondes de la haute mer et se déplace dans les eaux moins profondes près de la côte, il se transforme. Si vous avez lu la section “La physique d’un tsunami”, vous savez qu’un tsunami se déplace à une vitesse qui est liée à la profondeur de l’eau – par conséquent, lorsque la profondeur de l’eau diminue, le tsunami ralentit. Le flux d’énergie du tsunami, qui dépend à la fois de la vitesse et de la hauteur des vagues, reste pratiquement constant. Par conséquent, plus la vitesse du tsunami diminue, plus sa hauteur augmente. Ce phénomène est appelé “shoaling”. En raison de cet effet de shoaling, un tsunami qui est imperceptible en mer, peut atteindre une hauteur de plusieurs mètres ou plus près de la côte.
L’augmentation de la hauteur des vagues du tsunami lorsqu’il pénètre en eau peu profonde est donnée par :
où hs et hd sont les hauteurs des vagues en eau peu profonde et en eau profonde et Hs et Hd sont les profondeurs de l’eau peu profonde et de l’eau profonde. Ainsi, un tsunami d’une hauteur de 1 m en plein océan, où la profondeur de l’eau est de 4000 m, aurait une hauteur de vague de 4 à 5 m dans une eau de 10 m de profondeur.
Comme les autres vagues d’eau, les tsunamis commencent à perdre de l’énergie lorsqu’ils se précipitent sur le rivage – une partie de l’énergie de la vague est réfléchie vers le large, tandis que l’énergie de la vague qui se propage vers le rivage est dissipée par la friction du fond et les turbulences. Malgré ces pertes, les tsunamis atteignent la côte avec une énorme quantité d’énergie. Selon que la première partie du tsunami à atteindre la côte est une crête ou un creux, il peut apparaître comme une marée montante ou descendante rapide. La bathymétrie locale peut également faire apparaître le tsunami comme une série de vagues déferlantes.
Les tsunamis ont un grand potentiel d’érosion, dépouillant les plages d’un sable qui peut avoir mis des années à s’accumuler et sapant les arbres et autres végétaux côtiers. Capables d’inonder, ou de submerger, des centaines de mètres à l’intérieur des terres au-delà du niveau habituel des hautes eaux, les eaux rapides associées au tsunami d’inondation peuvent écraser les maisons et autres structures côtières. Les tsunamis peuvent atteindre une hauteur verticale maximale à terre au-dessus du niveau de la mer, souvent appelée hauteur de ruissellement, de plusieurs dizaines de mètres.
Comment les tsunamis sont-ils mesurés ou observés ?
Dans l’océan profond, un tsunami a une faible amplitude (moins d’un mètre) mais une très grande longueur d’onde (des centaines de kilomètres). Cela signifie que la pente, ou l’inclinaison de la vague, est très faible, et qu’elle est donc pratiquement indétectable à l’œil humain. Cependant, il existe des instruments d’observation des océans qui sont capables de détecter les tsunamis.
Moniteurs de marée
Les marégraphes mesurent la hauteur de la surface de la mer et sont principalement utilisés pour mesurer le niveau des marées. La plupart des marégraphes exploités par le National Tidal Centre du Bureau of Meteorology sont des stations SEAFRAME (Sea Level Fine Resolution Acoustic Measuring Equipment). Elles consistent en un capteur acoustique relié à un tube vertical ouvert à l’extrémité inférieure qui se trouve dans l’eau. Le capteur acoustique émet une impulsion sonore qui se déplace du haut du tube jusqu’à la surface de l’eau, puis est réfléchie dans le tube. La distance jusqu’au niveau de l’eau peut alors être calculée en utilisant le temps de parcours de l’impulsion. Ce système filtre les effets à petite échelle comme les vagues de vent et a la capacité de mesurer les changements du niveau de la mer avec une précision de 1 mm.
Le marégraphe de l’île Cocos a observé le tsunami du 26 décembre 2004 alors qu’il passait près de l’île, comme le montrent ces observations faites au cours du mois de décembre.
Satellites
Les altimètres satellitaires mesurent directement la hauteur de la surface de l’océan en utilisant des impulsions électro-magnétiques. Celles-ci sont envoyées à la surface de l’océan depuis le satellite et la hauteur de la surface de l’océan peut être déterminée en connaissant la vitesse de l’impulsion, la localisation du satellite et en mesurant le temps que l’impulsion met à revenir au satellite. L’un des problèmes de ce type de données satellitaires est qu’elles peuvent être très éparses – certains satellites ne passent au-dessus d’un endroit particulier qu’une fois par mois environ, de sorte que vous auriez de la chance de repérer un tsunami, car ils se déplacent si rapidement. Cependant, lors du tsunami de l’océan Indien du 26 décembre 2004, l’altimètre du satellite Jason s’est trouvé au bon endroit au bon moment.
L’image ci-dessous montre la hauteur de la surface de la mer (en bleu) mesurée par le satellite Jason deux heures après que le séisme initial ait frappé la région au sud-est de Sumatra (en rouge) le 26 décembre 2004. Les données ont été prises par un altimètre radar à bord du satellite le long d’une trajectoire traversant l’océan Indien alors que les vagues du tsunami venaient de remplir tout le golfe du Bengale. Les données présentées sont les différences de hauteur de la surface de la mer par rapport aux observations précédentes effectuées le long de la même trajectoire 20 à 30 jours avant le séisme, montrant les signaux du tsunami.
Photo reproduite avec l’aimable autorisation de NASA/JPL-Caltech
Le système DART
En 1995, la National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) a commencé à développer le système DART (Deep-ocean Assessment and Reporting of Tsunamis). Un réseau de stations est actuellement déployé dans l’océan Pacifique. Ces stations fournissent des informations détaillées sur les tsunamis alors qu’ils sont encore loin des côtes. Chaque station est constituée d’un enregistreur de pression du fond marin qui détecte le passage d’un tsunami. (La pression de la colonne d’eau est liée à la hauteur de la surface de la mer) . Les données sont ensuite transmises par sonar à une bouée de surface. La bouée de surface transmet ensuite les informations au Centre d’alerte aux tsunamis du Pacifique (PTWC) par satellite. L’enregistreur de pression de fond dure deux ans tandis que la bouée de surface est remplacée tous les ans. Ce système a considérablement amélioré la prévision et l’alerte aux tsunamis dans le Pacifique.
Le tsunami de l’océan Indien du 26 décembre 2004
Un tremblement de terre sous-marin dans l’océan Indien le 26 décembre 2004 a produit un tsunami qui a provoqué l’une des plus grandes catastrophes naturelles de l’histoire moderne. On sait que plus de 200 000 personnes ont perdu la vie.
Les vagues ont dévasté les côtes de certaines parties de l’Indonésie, du Sri Lanka, de l’Inde, de la Thaïlande et d’autres pays, avec des vagues signalées jusqu’à 15 m de haut, atteignant jusqu’à la Somalie sur la côte est de l’Afrique, à 4500 km à l’ouest de l’épicentre. La réfraction et la diffraction des vagues ont fait que l’impact du tsunami a été remarqué dans le monde entier et les stations de surveillance du niveau de la mer dans des endroits comme le Brésil et le Queensland ont également ressenti l’effet du tsunami.
Cette animation (10,4Mb) a été produite par des scientifiques du Centre national des marées du Bureau de météorologie. Un modèle numérique a été utilisé pour reproduire la génération et la propagation du tsunami et elle montre comment les vagues se sont propagées dans les bassins océaniques du monde.
Le tremblement de terre a eu lieu vers 1h UTC (8h heure locale) dans l’océan Indien au large de la côte ouest du nord de Sumatra. Avec une magnitude de 9,0 sur l’échelle de Richter, il a été le plus important depuis le tremblement de terre de 1964 au large de l’Alaska et égal au quatrième plus important depuis 1900, date à laquelle a commencé la tenue d’archives sismographiques mondiales précises.
L’épicentre du séisme était situé à environ 250 km au sud-sud-est de la ville indonésienne de Banda Aceh. Il s’agissait d’un rare tremblement de terre mégathrustal et s’est produit à l’interface des plaques tectoniques de l’Inde et de la Birmanie. Il a été provoqué par la libération des contraintes qui se développent lorsque la plaque indienne s’enfonce sous la plaque birmane qui l’emporte. Un séisme de type mégathrustesque se produit lorsqu’une plaque tectonique glisse sous une autre, entraînant un mouvement vertical des plaques. Ce grand déplacement vertical du plancher océanique a généré le tsunami dévastateur, qui a fait des dégâts sur une si grande zone autour de l’océan Indien.
Le tremblement de terre a également été exceptionnellement grand en termes d’étendue géographique. On estime que 1200 km de faille ont glissé d’environ 15 m le long de la zone de subduction sur une période de plusieurs minutes. Comme les 1 200 km de faille touchés par le séisme étaient orientés presque nord-sud, la plus grande force des vagues était dans la direction est-ouest. Le Bangladesh, qui se trouve à l’extrémité nord du golfe du Bengale, a eu très peu de victimes, bien qu’il s’agisse d’un pays de faible altitude très peuplé.
En raison des distances à parcourir, le tsunami a mis entre quinze minutes et sept heures (pour la Somalie) pour atteindre les différentes côtes. (Voir cette carte des temps de parcours). Les régions du nord de l’île indonésienne de Sumatra ont été touchées très rapidement, tandis que le Sri Lanka et la côte est de l’Inde ont été touchés environ deux heures plus tard. La Thaïlande a également été frappée environ deux heures plus tard, bien qu’elle soit plus proche de l’épicentre, car le tsunami s’est déplacé plus lentement dans la mer d’Andaman, peu profonde, au large de sa côte occidentale.
À son arrivée sur le rivage, la hauteur du tsunami a beaucoup varié, en fonction de sa distance et de sa direction par rapport à l’épicentre et d’autres facteurs tels que la bathymétrie locale. Les rapports font état d’une hauteur allant de 2-3 m sur la côte africaine (Kenya) jusqu’à 10-15 m à Sumatra, la région la plus proche de l’épicentre.