Numerical modeling of atmospheric waves due to Earth/Ocean/Atmosphere couplings and applications

Autor: Brissaud, Quentin
Přispěvatelé: Brissaud, Quentin, California Institute of Technology (CALTECH), ISAE, Raphael Garcia
Jazyk: francouzština
Rok vydání: 2017
Předmět:
Zdroj: Planétologie. ISAE, 2017. Français
Popis: This thesis deals with the wave propagation problem within the Earth-oceanatmospherecoupled system. A good understanding of the these phenomena has a majorimportance for seismic and atmospheric explosion studies, especially for planetary missions.Atmospheric wave-forms generated by explosions or surface oscillations can bring valuableinformation 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 propagationof acoustic and gravity waves in realistic atmospheres. The first one relies on a high-order staggeredfinite difference method and focus only on the atmosphere. It enables the simultaneouspropagation of linear acoustic and gravity waves in stratified viscous and windy atmosphere.This method is validated against quasi-analytical solutions based on the dispersion equationsfor a stratified atmosphere. It has also been employed to investigate two cases : the atmosphericpropagation generated by a meteor impact on Mars for the INSIGHT NASA missionand for the study of tsunami-induced acoutic and gravity waves following the 2004 Sumatratsunami. The second numerical method resolves the non-linear acoustic and gravity wavepropagation in a realistic atmosphere coupled, with topography, to the elastic wave propagationin a visco-elastic solid. This numerical tool relies on a discontinuous Galerkin method tosolve the full Navier-Stokes equations in the fluid domain and a continuous Galerkin methodto solve the elastodynamics equations in the solid domain. It is validated against analyticalsolutions and numerical results provided by the finite-difference method. This method couldbe employed for numerous applications cases such as near-surface Earthquakes, atmosphericexplosions from bolide airburst or to investigate non-linear acoustic and gravity wavepropagation in a realistic atmosphere.
Cette thèse se penche sur la propagation d’ondes au sein du système coupléTerre-océan-atmosphère. La compréhension de ces phénomènes a une importance majeurepour l’étude de perturbations sismiques et d’explosions atmosphériques notamment dans lecadre de missions spatiales planétaires. Les formes d’ondes atmosphériques issues du couplagefluide-solide permettent d’obtenir de précieuses informations sur la source du signal ou lespropriétés des milieux de propagation. On développe donc deux outils de modélisation numériqued’ordre élevé pour la propagation d’ondes acoustiques et de gravité. Le premier est endifférences 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 avecdu vent. Cette méthode linéaire est validée par des solutions quasi-analytiques reposant surles équations de dispersion dans une atmosphère stratifiée. Elle est aussi appliquée à deuxcas d’études : la propagation d’ondes liée à l’impact d’une météorite à la surface de Marsdans le cadre de la mission de la NASA INSIGHT, et la propagation d’ondes atmosphériquesliées au tsunami de Sumatra en 2004. La seconde méthode résout la propagation non-linéaired’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 sursur le couplage d’une formulation en éléments finis discontinus, pour résoudre les équationsde Navier-Stokes dans la partie fluide, avec une méthode par éléments finis continus pourrésoudre les équations de l’élastodynamique dans la partie solide. Elle a été validée grâce àdes solutions analytiques ainsi que par des comparaisons avec les résultats de la méthode pardifférences finies. De nombreuses applications de cette méthode sont alors possibles notammentpour l’étude de séismes de sub-surface, d’explosions atmosphériques liées à la rentréede météorites ou pour la caractérisation des phénomènes non-linéaires lors de la propagationd’infrasons et d’ondes de gravité dans l’atmosphère.
Databáze: OpenAIRE
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