Cette thèse se penche sur la propagation d’ondes au sein du système couplé
Terre-océan-atmosphère. La compréhension de ces phénomènes a une importance majeure pour l’étude de perturbations sismiques et d’explosions atmosphériques notamment dans le cadre de missions spatiales planétaires. Les formes d’ondes atmosphériques issues du couplage fluide-solide permettent d’obtenir de précieuses informations sur la source du signal ou les propriétés des milieux de propagation. On développe donc deux outils de modélisation numérique d’ordre élevé pour la propagation d’ondes acoustiques et de gravité. Le premier est en différences finies sur grille en quinconce et se concentre uniquement sur le milieu atmosphérique, permettant la propagation d’ondes linéaires dans un milieu stratifié visqueux et avec du vent. Cette méthode linéaire est validée par des solutions quasi-analytiques reposant sur les équations de dispersion dans une atmosphère stratifiée. Elle est aussi appliquée à deux cas d’études : la propagation d’ondes liée à l’impact d’une météorite à la surface de Mars dans le cadre de la mission de la NASA INSIGHT, et la propagation d’ondes atmosphériques liées au tsunami de Sumatra en 2004. La seconde méthode résout la propagation non-linéaire d’ondes acoustiques et de gravité dans une atmosphère complexe couplée, avec topographie, à la propagation d’ondes élastiques dans un solide viscoélastique. Cette méthode repose sur le couplage d’une formulation en éléments finis discontinus, pour résoudre les équations de Navier-Stokes la partie fluide, avec une méthode par éléments finis continus pour résoudre les équations de l’élastodynamique dans la partie solide. Elle a été validée grâce à des solutions analytiques ainsi que par des comparaisons avec les résultats de la méthode par différences finies. De nombreuses applications de cette méthode sont alors possibles notamment pour l’étude de séismes de sub-surface, d’explosions atmosphériques liées à la rentrée de météorites ou pour la caractérisation des phénomènes non-linéaires lors de la propagation d’infrasons et d’ondes de gravité dans l’atmosphère. |
This thesis deals with the wave propagation problem within the Earth-ocean-
atmosphere coupled system. A good understanding of the these phenomena has a major importance for seismic and atmospheric explosion studies, especially for planteray missions. Atmospheric wave-forms generated by explosions or surface oscillations can bring valuable information about the source mechanism or the properties of the various propagation media. We develop two new numerical full-wave high-order modeling tools to model the propagation of acoustic and gravity waves in realistic atmospheres. The first one relies on a high-order staggered finite difference method and focus only on the atmosphere. It enables the simultaneous propagation of linear acoustic and gravity waves in stratified viscous and windy atmosphere. This method is validated against quasi-analytical solutions based on the dispersion equations for a stratified atmosphere. It has also been employed to investigate two cases : the atmospheric propagation generated by a meteor impact on Mars for the INSIGHT NASA mission and for the study of tsunami-induced acoutic and gravity waves following the 2004 Sumatra tsunami. The second numerical method resolves the non-linear acoustic and gravity wave propagation in a realistic atmosphere coupled, with topography, to the elastic wave propagation in a visco-elastic solid. This numerical tool relies on a discontinuous Galerkin method to solve the full Navier-Stokes equations in the fluid domain and a continuous Galerkin method to solve the elastodynamics equations in the solid domain. It is validated against analytical solutions and numerical results provided by the finite-difference method. This method could be employed for numerous applications cases as near-surface Earthquakes, atmospheric explosions from bolide airburst or to investigate non-linear acoustic and gravity wave propagation in a realistic atmosphere. |