Estimation of the amplitude of the Martian hum from Global circulation models and expected observation challenges - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2020

Estimation of the amplitude of the Martian hum from Global circulation models and expected observation challenges

Estimation du hum martien à partir des modèles de circulation globale et du défi des observations attendues

Yasuhiro Nishikawa
  • Fonction : Auteur

Résumé

The internal structure of Mars is key for understanding the formation and evolution of terrestrial planets, including Earth. Most of the Earth’s interior information comes from seismology. Thus, Mars seismic exploration is expected to play an equally important role in internal structure investigations. To acquire and analyze seismic data on Mars, noise reduction, and seismic signal modeling are critical. This Ph.D. has therefore a first part related to experimental aspects of Mars seismology and the three others related to modeling aspects.First, I designed, in the frame of the Japan effort to explore Mars with a future Mars lander, an efficient wind shield for wind noise reduc- tion. This was made through wind tunnel tests and CFD (computation fluid dynamics) simulations. The design is significantly lighter than the Wind Shield of InSight. Wind tunnel tests under a similar environment to Mars (low pressure and high wind speed) have especially shown that torque more critical than lift force for seismic noise generation. Torque also changed dramatically with the shape of wind shield. I designed a torque-less wind shield by CFD and demonstrate an efficiency of about 8 times better than a simple wind shield. The torque-less wind shield might be proposed for future missions and is strongly optimizing the mass allocation as compared to InSight.In the modeling section, I provide the estimation of the amplitude of MBFs (Mars Background Free oscillations) as excited by GCMs (Gene- ral Circular Models). The modeling has been made with two different approaches. The first one is considering pressure forces at the surface of Mars, while the second one is better considering the solid-atmosphere coupling by accounting for compressible waves (acoustic waves) in the atmosphere. The resulting MBF seismograms are then compared with the self-noise of the InSight VBB instrument. Signals are estimated to about 5 × 10−11m/s2/Hz1/2 , which are smaller than the seismometer instrumental noise and thermal noise. The MBFs might not be detected at this level without stacking. Martian weather is however dominated by solar flux and local time. I, therefore, analyze the periodicity of the excitation force of MBFs and conclude that the MBFs signals might be detected with several months of the stack due to its periodicity. The MBFs sensitivity to the shallow and middle mantle is finally studied. Finally, I calculate the Love numbers of Mars to study their sensitivity to the lower mantle and core. Although not yet used for Mars, this part has been used for Moon data and I have analyzed the impact of the extended Burgers model on constraints on the Lunar deep interior temperature, with implication on the deep moonquake seismicity.
La structure interne de Mars est essentielle pour comprendre la formation et l’évolution des planètes tellurique, y compris la Terre. La plupart des informations sur l’intérieur de la Terre proviennent de la sismologie. Ainsi, l’exploration sismique de Mars devrait jouer un rôle tout aussi important dans les études de structure interne. Pour acquérir et analyser des données sismiques sur Mars, la réduction du bruit et la modélisation du signal sismique sont essentielles. Cette thèse comporte donc une première partie liée aux aspects expérimentaux de la sismologie martienne et les trois autres liées aux aspects de modélisation. Tout d’abord, j’ai conçu, dans le cadre de l’effort japonais pour explorer Mars avec un futur lander martien, un pare-vent efficace pour la réduction du bruit du vent. Cela a été réalisé grâce à des tests en soufflerie et des simulations CFD (calcul en dynamique des fluides). Le design est nettement plus léger que le parevent d’InSight. Les tests en soufflerie dans un environnement similaire à Mars (basse pression et vitesse du vent élevé) ont particulièrement montré que le couple est plus critique que la force de portance pour la génération du bruit sismique. Le couple a en outre changé radicalement avec la forme du pare-vent. Nous avons conçu un pare-vent sans couple par CFD et démontrons une efficacité environ 8 fois meilleure qu’un simple pare-vent. Le pare- vent sans couple pourrait être proposé pour une future mission et optimise fortement l’allocation de masse par rapport à InSight. Dans la section modélisation, je propose une estimation de l’amplitude des MBF (oscillations du bruit de fond sismique de Mars) excitées par les GCM (General Circular Models). La modélisation a été réalisée avec deux approches différentes. Le premier considère les forces de pression à la surface de Mars, tandis que le second considère mieux le couplage solide-atmosphère en tenant compte des ondes compressibles (ondes acoustiques) dans l’atmosphère. Les sismogrammes MBF résultants sont ensuite comparés au bruit propre de l’instrument InSight VBB. Les signaux sont estimés à environ 5 × 10−11m/s2/Hz1/2, qui sont plus petits que le bruit instrumental et le bruit thermique du sismomètre. Les MBF peuvent ne pas être détectés à ce niveau sans stacking. La météorologie martienne est cependant dominée par le flux solaire et l’heure locale. Nous analysons donc la périodicité de la force d’excitation des MBF et concluons que les signaux des MBF pourraient être détectés avec plusieurs mois de stacking en raison de sa périodicité. La sensibilité des MBF au manteau peu profond et moyen est également étudiée. Enfin, je calcule les nombres de Love de Mars pour étudier leur sensibilité au manteau inférieur et au noyau, car on ne s’attend pas à des détections d’oscillations libres sensibles à grande profondeur. Bien qu’elle ne soit pas encore utilisée pour Mars, cette partie a été utilisée pour les données lunaires et nous avons analysé l’impact du modèle de Burgers étendu sur les contraintes sur la température de l’intérieur profond lunaire avec une implication sur la sismicité du tremblement de lune profond.
Fichier principal
Vignette du fichier
Nishikawa_Yasuhiro_va2.pdf (13.89 Mo) Télécharger le fichier
Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-03510578 , version 1 (04-01-2022)

Identifiants

  • HAL Id : tel-03510578 , version 1

Citer

Yasuhiro Nishikawa. Estimation of the amplitude of the Martian hum from Global circulation models and expected observation challenges. Earth Sciences. Université Paris Cité, 2020. English. ⟨NNT : 2020UNIP7237⟩. ⟨tel-03510578⟩

Collections

STAR
38 Consultations
15 Téléchargements

Partager

Gmail Facebook X LinkedIn More