Thèse - Quantification du risque de tsunami cosmogénique sur les côtes françaises

Présentation

Durée :

CONTEXTE
Les tsunamis peuvent être provoqués par diverses causes : 1) les séismes sous-marins, 2) les glissements de terrains
(aériens ou sous-marins), 3) les éruptions volcaniques sous-marines, et 4) la chute d’astéroïdes. Ce dernier mécanisme,
rare, est assez mal étudié, et le risque associé est par conséquent mal quantifié.
La NASA et l’ESA ont lancé au début des années 2000 un programme international d’identification des astéroïdes à
risque. Ce sont essentiellement des corps célestes en provenance de la ceinture principale d’astéroïdes, entre Mars et
Jupiter, qui quittent cette orbite à cause d’instabilités mécaniques pour se rapprocher de l’orbite terrestre (on les appelle
« géocroiseurs »). La communauté internationale en a répertorié quelques milliers, dont les plus dangereux (et donc les
plus rares) ont un diamètre de quelques kilomètres, tandis que les plus petits qui soient visibles ont un diamètre de
150 m environ. Les géocroiseurs plus petits encore ne peuvent être observés à l’heure actuelle, mais ils sont beaucoup
plus nombreux.
Lorsqu’un tel corps parvient sur Terre, si son diamètre est inférieur à une soixantaine de mètres il se désagrège dans
l’atmosphère avant de toucher le sol ou l’océan (cf. l’explosion d’un astéroïde de 15 m de diamètre au-dessus de
Tcheliabinsk en février 2013). L’onde de choc atmosphérique déterminée par son explosion peut agir sur la surface de
l’océan en créant une série de vagues assimilées à un tsunami. Dans le cas d’un astéroïde de plus grand diamètre, son
impact dans l’océan déterminerait un tsunami plus important. Dans les deux cas, on parle de tsunami « cosmogénique »,
dont l’amplitude initiale et la forme dépendent de la taille de l’astéroïde au moment de l’explosion ou de l’impact, de sa
vitesse de chute (typiquement supérieure à 20 km/s) et – dans une mesure moindre – de son angle d’impact (voir figure
ci-dessous).

Bien que de tels événements n’aient jamais été observés, des traces géologiques attestent de leur existence par le passé.
Dans ce travail, on s’intéresse aux événements dont la période de retour est comprise entre 1.000 et 10.000 ans (soit des
astéroïdes de diamètres de quelques dizaines de mètres).
EDF envisage de quantifier le risque de vague littorale résultant d’un tsunami cosmogénique. En 2019, un travail a été
conduit au LNHE (Laboratoire National d’Hydraulique et Environnement) d’EDF R&D et au LHSV (Laboratoire
d’Hydraulique Saint-Venant), pour traiter les impacts dans l’océan par une approche préliminaire référencée dans les
publications internationales (Ward et Asphaug, 2000). Ce travail exclut l’effet des explosions d’astéroïdes dans
l’atmosphère. L’objet de cette thèse est d’examiner cet effet, apparemment moins dommageable mais plus fréquent.

CONTENU DE LA THESE
La thèse consiste à développer une approche de quantification du risque de tsunami cosmogénique dû aux explosions
d’astéroïdes dans l’atmosphère, sur les côtes Atlantique/Manche/Mer du Nord françaises. On concaténera les résultats
obtenus par EDF en 2019 concernant les chutes de plus grands astéroïdes dans l’océan, pour donner une approche
probabiliste globale. On procédera de la manière suivante :
- Affiner, à l’aide d’une recherche bibliographique (et éventuellement avec notre partenaire l’Observatoire de
Paris) la connaissance relative à la distribution de probabilité d’arrivée d’un astéroïde dans l’atmosphère
terrestre en fonction de sa taille. Dans un premier temps, on retiendra une trajectoire d’arrivée verticale et une
vitesse de chute constante (20 km/s), pour simplifier.
- Déterminer, pour un astéroïde de diamètre donné explosant au-dessus d’un point donné de l’océan Atlantique,
la vague maximale résultante sur la façade Atlantique/Manche/Mer du Nord française en fonction de la distance
au point d’explosion. Pour cela, on résoudra par quadrature un problème de Laplace en trois dimensions pour
le potentiel des vitesses du fluide, dans l’espace de Fourier-Laplace, sous l’hypothèse que les vagues sont de
petite amplitude par rapport à la profondeur de l’océan, et avec un terme source donné par l’onde de choc
d’une déflagration de von Neumann–Sedov. Cette méthode est bien documentée, et a fait l’objet de
développements préliminaires à EDF R&D et au LHSV dans le cadre d’une thèse (Le Gal et al.).
- Etudier l’effet des non-linéarités et surtout du shoaling (gonflement des vagues à l’approche des côtes lorsque
le fond de l’océan remonte) sur quelques cas, à l’aide de simulations numériques sur la base de codes
développés à EDF et au LHSV : Misthyc, qui résout les équations d’Euler dans le formalisme de Zakharov
(pour prendre en compte les effets dispersifs fréquentiels) et Telemac-2D, qui résout les équations de Saint-
Venant (pour prendre en compte la rotondité de la Terre, des forces de Coriolis et du frottement sur le fond de
l’océan).
- Pratiquer une analyse probabiliste pour déduire la hauteur d’une vague survenant en moyenne tous les 1.000 ou
10.000 ans sur le littoral d’intérêt, sous l’effet de la chute d’un astéroïde en Atlantique. Pour cela, on utilisera
les résultats de la deuxième étape dans le cadre d’une analyse bayésienne. On mettre à profit le travail fait par
EDF en 2019, qui traite les chutes d’astéroïdes dans l’océan par cette méthode.

CONDITIONS
La thèse se déroulera sur le site EDF R&D de Chatou, au LHSV (Laboratoire d’Hydraulique Saint-Venant, Ecole des
Ponts/EDF R&D/Cerema), avec la collaboration du CEREA (Centre d’Enseignement et de Recherches en
Environnement Atmosphérique, Ecole des Ponts/EDF R&D/Météo-France). Elle sera encadrée par Damien Violeau
(chercheur senior au LNHE et au LHSV) et par Martin Ferrand (directeur adjoint du CEREA). La thèse bénéficiera
d’une bourse de l’Ecole des Ponts. Le/la doctorant.e recevra un salaire mensuel brut de 2000 euros environ.
Les candidat.e.s devront posséder de bonnes connaissances en mathématiques et en physique, avec de bonnes notions de
mécanique des fluides et de programmation. On demande aussi un bon contact humain et une faculté d’autonomie, mais
aussi de travail en groupe.

REFERENCES
Chesley, S.R., Ward, S.N. (2006), A Quantitative assessment of the human and economic hazard from impact-
generated tsunami, Nat. Haz. 38(3):355–374.