Numerical modeling of atmospheric waves due to Earth/Ocean/Atmosphere couplings and applications
Modélisation numérique des ondes atmosphériques issues des couplages solide/océan/atmosphère et applications
Résumé
This thesis deals with the wave propagation problem within the Earth-oceanatmosphere
coupled system. A good understanding of the these phenomena has a major
importance for seismic and atmospheric explosion studies, especially for planetary 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 such as near-surface Earthquakes, atmospheric
explosions from bolide airburst or to investigate non-linear acoustic and gravity wave
propagation in a realistic atmosphere.
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 visco-élastique. Cette méthode repose sur
sur le couplage d’une formulation en éléments finis discontinus, pour résoudre les équations
de Navier-Stokes dans 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.
| Origine | Fichiers produits par l'(les) auteur(s) |
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