La mission InSight a déployé une station sismique sur Mars en 2018, la première depuis quarante ans. Son sismomètre SEIS a ouvert une nouvelle ère de la sismologie planétaire grâce à sa sensibilité sans précédent, sa large bande de fréquences et son faible niveau de bruit. Il a détecté plusieurs séismes martiens pendant la durée de la mission (Giardini et al., 2020) et a permis d’établir des contraintes sur la structure interne de la planète (Lognonné et al., 2019; Khan et al., 2021; Drilleau et al., 2022; Stähler et al., 2021).
Dans cette thèse, nous avons utilisé la combinaison des données sismiques de SEIS et des mesures de pression, de vent, de température et de champ magnétique de la station météorologique APSS, qui faisait partie de la mission InSight, pour étudier les interactions entre le sismomètre et son environnement. Nous avons aussi mis à jour le modèle de bruit de l’instrument caractérisant les différentes sources de bruit impactant le sismomètre.
Nous avons d’abord caractérisé en détail le contenu fréquentiel des paramètres de l’environnement pour la durée de la mission. Nous avons décomposé les données mesurées par heure locale. Ce faisant, nous avons montré comment l’énergie du vent change radicalement entre le jour et la nuit. Nous avons participé à la mesure des pentes du spectre en frequence de la pression et l’avons comparée à des modèles de turbulence (Murdoch et al., 2023). Nous avons également confirmé que le champ magnétique à la surface de Mars a une énergie beaucoup plus faible que celle prédite avant l’atterrissage d’InSight.
Nous avons ensuite utilisé notre caractérisation de l’environnement pour mettre à jour le modèle de bruit développé avant l’atterrissage par Mimoun et al. (2017). Nous avons validé ce modèle en le comparant au bruit sismique mesuré de la mission, bruit qui nous a également permis de déterminer la période la plus calme de la journée et de la comparer à l’énergie de certains séismes martiens détectés. Ceci a fait l’objet d’un article soumis à Space Science Reviews, Pinot et al. (2023).
Nous avons également utilisé notre meilleure compréhension des sources de bruit en profitant de leur modélisation pour diminuer leur impact sur les données sismiques par des post-traitements. Nous avons développé et testé une méthode pour éliminer le bruit à longue période dans les signaux sismiques (i.e. en-dessous de 10−3 Hz), dont nous avons montré que la cause est le bruit thermique. En outre, nous avons développé un algorithme de détection et d’élimination d’un type de signal transitoire appelé "glitch", omniprésent dans les données de SEIS et qui rendait difficile l’analyse des signaux sismiques. Nous avons confirmé la causalité entre la température de SEIS et les glitchs, et publié nos résultats dans Scholz et al. (2020). Suite à cet article, des algorithmes de "déglitching" ont été utilisés pour améliorer les enregistrements sismiques afin de mieux contraindre la structure interne martienne.
Enfin, en réponse à une suggestion faite bien avant la mission InSight de détecter la réponse de Mars à la marée de Phobos afin de contraindre la taille et l’état physique du noyau martien (Van Hoolst et al., 2003), nous avons montré que même après décorrélation thermique, le niveau de bruit était encore trop élevé de plusieurs ordres de grandeur aux fréquences de la marée de Phobos pour permettre de la détecter.
Ce travail pourra aider à dimensionner les futurs sismomètres planétaires et donne une base aux futures missions pour prédire le bruit auquel elles devront faire face. L’étude des bruits qui provoquent une inclinaison du sol comme le bruit de pression montre l’intérêt de développer la simologie rotationnelle avec des instruments 6 axes pour diminuer le niveau de bruit dans un contexte de sismologie planétaire. |
The InSight mission deployed a seismic station on Mars in 2018, the first one for forty years. Its seismometer package SEIS opened a new era of planetary seismology with its unprecedented high sensitivity, large frequency bandwidth and low noise level. It detected several Marsquakes during the duration of the mission (Giardini et al., 2020) and helped put constraints on the Martian interior structure (Lognonné et al., 2019; Khan et al., 2021; Drilleau et al., 2022; Stähler et al., 2021).
In this thesis, we have used the combined seismic data of SEIS and the pressure, wind, temperature and magnetic field measurements of the meteorological station APSS, which was part of the InSight mission, to study the interactions between the seismometer and its environment. We also have updated the noise model of the instrument which characterises the different noise sources impacting the seismometer.
We have first characterised in detail the frequency content of the environment parameters for the duration of the mission. We have decomposed the measured data by local time hour. By doing so, we have shown how the wind speed energy changes drastically between daytime and nighttime. We participated in the measurement of the slopes of the pressure spectrum and compared it with models of turbulence in Murdoch et al. (2023). We have also confirmed that the Martian crustal magnetic field has a much lower energy than predicted before the InSight landing.
We have then used our characterisation of the environment to update the pre-landing noise model of Mimoun et al. (2017). We have validated the model by comparing it to the measured seismic noise of the mission, which has also allowed us to determine the quietest period of the day in terms of noise and compare it to the energy of some detected quakes. This is the subject of a paper submitted to Space Science Reviews, Pinot et al. (2023).
We have also used our improved understanding of the noise sources to remove their impact on the seismic data by post-processing. We have developed and tested a method to remove the long period noise in the seismic signals (below 10−3 Hz), which we have shown to be thermal noise. Additionally, we have developed an algorithm of detection and removal of a type of transient signal called glitch, which was ubiquitous in the SEIS data, making analysis of seismic signals difficult. We have confirmed the causality between the SEIS temperature and the glitches, and published our results in Scholz et al. (2020). Following this paper, "deglitching" algorithms have been used to improve the seismic records to better constrain the Martian internal structure.
Finally, in a response to a suggestion made long before the InSight mission to detect the response of Mars to the Phobos tide in order to constrain the Martian core size and physical state (Van Hoolst et al., 2003), we have shown that even after thermal decorrelation, the noise level was still several orders of magnitude too high at the frequencies of the Phobos tide to allow to detect it.
This work will help design future planetary seismometers and provide a basis for future missions to predict the noise they will have to face. The study of ground-tilting noise such as pressure noise shows the interest of developing rotational seismology with 6-axes instruments to reduce noise levels in the context of planetary seismology. |