Characterisation of Infrasound in the Coupled Solid-Atmosphere System : Numerical Modelling, Terrestrial and Planetary Applications (Caractérisation des Infrasons dans le Système Couplé Solide-Atmosphère : Modélisation Numérique, Applications Terrestres et Planétaires) Martire, Léo 2020-10-16 Institut Supérieur de l'Aéronautique et de l'Espace

Directeur(s) de thèse:  Garcia, Raphaël F.; Martin, Roland Laboratoire :  Département Electronique, Optronique et Signal -DEOS (depuis 2007) Ecole doctorale :  Sciences de l'Univers, de l'Environnement et de l'Espace -SDU2E Classification : Astronomie, cartographie, géodésie

Accès :  Texte intégral Mots-clés : 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 Résumé : Cette thèse porte sur le couplage mécanique entre le corps solide d’une planète et son atmosphère. Nous étudions les événements géophysiques naturels et anthropiques grâce aux ondes sismiques et infrasonores. Ces phénomènes sont clés pour découvrir la structure 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 la fois 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 système couplé sol-atmosphère. Nous nous appuyons sur les équations linéarisées de Navier-Stokes pour modéliser l’atmosphère, et sur la visco-élasto dynamique pour modéliser le sous-sol.Nous utilisons la méthode des éléments finis spectraux discontinus, permettant la simulation complète 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 de couplages air-sol, et prend en compte avec précision la propagation des ondes acoustiques et sismiques. Des topographies complexes peuvent être utilisées, ainsi que des modèles atmosphériques variant latéralement. Il est donc particulièrement bien adapté à l’étude de la plupart des phénomènes géophysiques dans les atmosphères planétaires. Parmi les exemples d’événements, nous pouvons citer les ondes sismiques, les microbaroms, les explosions souterraines ou aériennes, ou encore les ondes de gravité. Deuxièmement, nous étudions de nombreux cas d’application liés à la planétologie. En vue de l’exploration de l’intérieur de Vénus, nous menons des expériences terrestres dont le but est d’étudier les infrasons induits par les séismes, et utilisons notamment des instruments sous ballons. Nous montrons qu’il est possible de déduire les propriétés et la structure du sous-sol grâce à ces ondes infrasonores. Ces ballons instrumentés permettent également de localiser les événements au sol. Ce sujet est crucial pour l’exploration planétaire, mais également pour la surveillance de la Terre depuis l’atmosphère. Enfin, nous démontrons que des infrasons sont présents dans l’atmosphère de Mars, établissant pour la première fois l’existence d’infrasons sur une autre planète. Ceci est possible grâce au sismomètre SEIS d’InSight, capable de mesurer les infimes mouvements du sol causés par le passage des infrasons. Résumé (anglais) : This thesis focuses on the mechanical coupling between a planet’s solid bodyand its atmosphere. We study natural and anthropogenic geophysical events under the scope of seismic waves and infrasound. These phenomena are keys to uncover the atmospheric structure of Earth, the interior of Venus, and Mars as a whole. Acoustic and seismic waveforms contain valuable information, about both the source event and the propagation medium. Our work is two-fold. Firstly, we develop a numerical simulation software for the coupled ground-atmosphere system. We rely on the linearised Navier-Stokes equations to model 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 accounts for 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 seismic waves, microbaroms, underground and overground explosions, or gravity waves. Secondly,we study numerous application cases related to the afore mentioned 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 infrasonic waves. 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 passing airwaves. Langue : Anglais

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