Caractérisation des Infrasons dans le Système Couplé Solide-Atmosphère : Modélisation Numérique, Applications Terrestres et Planétaires

Characterisation of Infrasound in the Coupled Solid-Atmosphere System : Numerical Modelling, Terrestrial and Planetary Applications

• Auteur / Autrice : Léo Martire
• Direction : Raphaël F. Garcia, Roland Martin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Astrophysique, Sciences de l'Espace, Planétologie
• Date : Soutenance le 16/10/2020
• Etablissement(s) : Toulouse, ISAE
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de l’univers, de l’environnement et de l’espace (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Équipe d'accueil doctoral Physique spatiale et instrumentation (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut supérieur de l'aéronautique et de l'espace (Toulouse, Haute-Garonne). Département électronique, optronique et signal
• Jury : Président / Présidente : David Mimoun
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Raphaël F. Garcia, Roland Martin, David Mimoun, Jean-Pierre Vilotte, Stephen Arrowsmith, Elvira Astafyeva, Stéphane Lanteri, Alexis Le Pichon
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jean-Pierre Vilotte, Stephen Arrowsmith

Mots clés

Mots clés contrôlés

Ondes atmosphériques

Ondes sismiques

Infrasons

Mots clés libres

Couplage solide-atmosphere

Ondes sismiques

Ondes atmosphériques

Infrasons

Navier-Stokes linéarisé

Eléments finis spectraux

Sismologie aérienne

InSight

SEIS

Surveillance des explosions atmosphériques

Mesures infrasoniques depuis ballons

Ground-atmosphere coupling

Seismic waves

Atmospheric waves

Infrasound

Linearised Navier-Stokes

Spectral finite elements

Aerial seismology

InSight

SEIS

Atmospheric explosion monitoring

Infrasound measurements from balloons

Résumé

Cette thèse porte sur le couplage mécanique entre le corps solide d’une planèteet son atmosphère. Nous étudions les événements géophysiques naturels et anthropiquesgrâce aux ondes sismiques et infrasonores. Ces phénomènes sont clés pour découvrir lastructure atmosphérique de la Terre, l’intérieur de Vénus, et Mars dans son intégralité.Les formes d’ondes acoustiques et sismiques contiennent des informations importantes, à lafois sur l’événement source et sur le milieu de propagation. L’objet de ce travail est double.Premièrement, nous développons un logiciel de simulation numérique pour le systèmecouplé sol-atmosphère. Nous nous appuyons sur les équations linéarisées de Navier-Stokespour modéliser l’atmosphère, et sur la visco-élastodynamique pour modéliser le sous-sol.Nous utilisons la méthode des éléments finis spectraux discontinus, permettant la simulationcomplète des formes d’ondes. L’implémentation est validée à l’aide de deux techniques :les solutions analytiques et manufacturées. Le logiciel permet de modéliser tous les types decouplages air-sol, et prend en compte avec précision la propagation des ondes acoustiqueset sismiques. Des topographies complexes peuvent être utilisées, ainsi que des modèles atmosphériques variant latéralement. Il est donc particulièrement bien adapté à l’étude de laplupart des phénomènes géophysiques dans les atmosphères planétaires. Parmi les exemplesd’événements, nous pouvons citer les ondes sismiques, les microbaroms, les explosionssouterraines ou aériennes, ou encore les ondes de gravité. Deuxièmement, nous étudionsde nombreux cas d’application liés à la planétologie. En vue de l’exploration de l’intérieurde Vénus, nous menons des expériences terrestres dont le but est d’étudier les infrasonsinduits par les séismes, et utilisons notamment des instruments sous ballons. Nous montronsqu’il est possible de déduire les propriétés et la structure du sous-sol grâce à ces ondesinfrasonores. Ces ballons instrumentés permettent également de localiser les événements ausol. Ce sujet est crucial pour l’exploration planétaire, mais également pour la surveillancede la Terre depuis l’atmosphère. Enfin, nous démontrons que des infrasons sont présentsdans l’atmosphère de Mars, établissant pour la première fois l’existence d’infrasons sur uneautre planète. Ceci est possible grâce au sismomètre SEIS d’InSight, capable de mesurer lesinfimes mouvements du sol causés par le passage des infrasons.

This thesis focuses on the mechanical coupling between a planet’s solid bodyand its atmosphere. We study natural and anthropogenic geophysical events under thescope of seismic waves and infrasound. These phenomena are keys to uncover the atmosphericstructure of Earth, the interior of Venus, and Mars as a whole. Acoustic and seismicwaveforms contain valuable information, about both the source event and the propagationmedium. Our work is two-fold. Firstly, we develop a numerical simulation software for thecoupled ground-atmosphere system. We rely on the linearised Navier-Stokes equations tomodel the atmosphere, and on visco-elastodynamics to model the sub-surface. We employa discontinuous spectral finite elements method, allowing the simulation of full waveforms.The implementation is validated using two techniques: analytical and manufactured solutions.Our software can model all types of air-ground couplings, and accurately accountsfor acoustic and seismic wave propagation. Complex topographies can be used, as well asrange-dependant atmospheric models. As a result, it is particularly well suited to studymost geophysical phenomena in planetary atmospheres. Example events include seismicwaves, microbaroms, underground and overground explosions, or gravity waves. Secondly,we study numerous application cases related to the aforementioned planetary science objectives.With the exploration of Venus’ interior in mind, we conduct terrestrial experiments tostudy seismically-induced infrasound, and involve balloon-borne instruments. We show thatit is possible to infer the properties and structure of the sub-surface from these infrasonicwaves. These instrumented balloons also render the localisation of ground events possible,which is crucial both for planetary exploration and for the airborne monitoring of the Earth.Finally, we demonstrate that the Martian atmosphere features infrasound, establishing forthe first time the existence of infrasound on another planet. This is achieved thanks toInSight’s seismometer SEIS, able to measure the faint ground motion caused by passingairwaves.