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thèsededoctora t

UniversitéPierreetMarieCurie

présentéepar

JulienMarty

envued'obtenir legradede

Docteurdel 'universitéPierreetMarieCurie

Ondesdegra vitéa tmosphériques

observéesparunrésea umondialde microbaromètres Thèsesoutenuele 12Octobre 2010devantle jurycomposéde :

M.FrançoisRavetta UPMCPrésident dujury

M.PhilippeBlanc-Benon LMFARapporteur

M.JacquesPar entduChâtelet Météo-FranceRapporteur M me

ElisabethBlanc CEADirectrice

M.FrancisDalaudier LATMOSDir ecteur

M.LarsCeranna BGRHannoverExaminateur

tel-00740700, version 1 - 10 Oct 2012 Àmafemme, Otgontuyatel-00740700, version 1 - 10 Oct 2012 tel-00740700, version 1 - 10 Oct 2012

Remerciements

J eremercieavanttoutmon directeurdethèse,FrancisDalaudier,d'av oir acceptéd'initierun ingénieurentélécommunications àladynamique de l'atmosphèreetsurtoutd'a voirtoujours prisletemps derépondreàmes trèsnombreusesquestions. Sesconseils,sesencouragements,ses idéesorigi- nalesetson suivir égulierlorsde touteslesdif férentesphasesdemathèse ont étéextrêmement précieux.Jevoudraiségalement diremerciàma co-directrice dethèse,Elisabeth Blanc,pourson soutientoutau longdema thèseet en particulierlorsde lacampagnede mesureMongolie 2008. Jetiensaussi àexprimermes remerciements auxmembres dujury ,qui ont acceptéd'év aluermontravaildethèse.Merci àM.François Ravettadem'avoir faitl'honneur deprésider monjury dethèse,àMM.PhilippeBlanc-Benon et JacquesPar entduChâteletd'avoir acceptéd'être mesrapporteurset àMM. Jetienségalement àremer cierM.René Crusemdem'a voiraccueillidans leservice duLDGetpluslargement diremer ciauxnombr eusespersonnes du DASEav ecquij'aieulachancedetrav aillerdurantces troisannées dethèse. Parmielles,jesouhaite toutparticulièrement remercier ThierryHéritier ,pour sonsoutien etsesconseils aviséslors delathèse maisaussilors demesdeux annéespasséesen Mongolie.Jer emerciegrandement DamienPonceaupour sescours demétrologie ettouteson aidepourlamiseenplace delacam- pagnedemesur eMongolie2008 etdesdifférentesexpériences delaboratoire. Jetiensà diremer ciàJean-Mar cKoenigpoursonaidelors del'installationdes réseaux,ThomasFargespour sesencouragementset nosdiscussionsscienti- fiques,Olivier Sèbed'a voirtoujoursprisletemps dem'aider,DenisLubin pournosdéjeuners régulierset constructifs,StéphaneDenis pournosdiscus- sionssurles capteurset lesréseaux defiltrages,Franck Larsonnierpourson aidelors desexpériencesde laboratoireet enfinIsabelleJeannin poursonaide, sagentillesseet sonsoutien. J'aiégalementune énorme penséepourtoutes lespersonnesducentre derecher cheenastronomieetgéophysiqued'Ulaanbaatar.Mes deuxannées passéesenleur compagnieontpr obablementchangéma vie.J'aiune pensée touteparticulièr eenversDemberel,nos discussionsetsesconseilssurla vieen général,etpour Battulgaquim'a faitl'honneurde m'accompagnerauxquatr e coinsdece paysmagnifique. Mashikhba yarlalaa! vtel-00740700, version 1 - 10 Oct 2012 Jen'oublieé videmmentpasmes compagnonsdefortune(oud'infortune) auCEA.J'ai laisséma mémoire,sur ementplusimpr essionnéeparles évé- nementsr écentsetrépétés,lesoin deretr ouversespersonnes.Jepense tout d'abordàmesdeuxhomonymes, lepremier pourtousnos déliresnotamment àVienne etlorsdemonenterrement deviede garçon,et ledeuxièmepour tousnosfous-rir es,lescaïpirinhas etsurtoutsafacultéàmettr edespoints noirssurles fraises.J'aiégalement unepenséepour tousceuxqui ontpartagé monbureau, Gégé,Michaël,Marionetcephénomène d'Harry. Jen'oublieé vi- demmentpasSylv ainetses excellentscoursdesalsaetLaur entetV incentque j'aimoinsvus cesderniers tempsmaisa vecqui j'aipassédetrès bonsmo- ments.Jer emercieenfin Christophepourm'avoirfaitdécouvrirleséchidnés etsurtoutpour toutletemps passéàamélior erl'anglaisde mesarticles. J'aiégalementune profondepensée pourmafamille etplusparticulière- mentpour mesparents etmesdeux petitessoeursquimefonttoujours autant rigoler.Jeprofiteaussi decetteoccasion pourfaireunepetitedédicace àmon clubdeRugb ydeParis XVetàtouslesrigolos quejecr oisequotidiennement (parordr ed'ancienneté,Nico,Charly,Griselle,Lardon,Max, Jeff,Polo, Nono, Tutu,Nabil,Cheese,Stef,etc.). Enfintoutesmes penséesvont verscelle chez quijepuise toutemonéner gieetma joiedevivr e.Ses souriresilluminentma viejourapr èsjour. vitel-00740700, version 1 - 10 Oct 2012

Résumé

L'organisationdutraitéd'interdictioncomplète desessaisnucléair es (OTICE)disposeactuellement d'unréseau mondialdequarante-deux stations opérationnellesqui enregistrent lesfluctuationsdepressionatmosphériques produitesauniveaudu solparles ondesinfrasonores.Cettethèsedémontr e quelaplupart decesstations détectentégalement,a vecune grandeprécision, lesfluctuationsde pressiondans toutelabande desondesdegravité.Ce tra- vailinclutlaréalisation etl'analysede plusieursexpériencesde métrologie enlaboratoire etd'unecampagnedemesure temporaire(M2008) déployée en Mongolieen2008. Laplanificationpuis l'interprétation desdonnéesde cesex- périencesaconduit audév eloppementd'unnouv eaumodèlelinéair espectral numériquepoursimuler lagénérationet lapropagation desondesde gra- vité.Ce modèleestnotamment utilisépourquantifier lesondesde gravité induitespar lerefr oidissementatmosphériquepr oduitlorsd'uneéclipsede Soleil.Lesfluctuationsde pressionattendues auniveau dusollors del'éclipse du1er août2008sont estiméesetcompar éesauxdonnées enregistrées par lesstations infrasonsdel'OTICE etdur éseauM2008.Une analysedétaillée deces donnéesamontr él'existencede deuxondesa vecdescaractéristiques temps-fréquencesimilairesauxondes simuléespourdesrefroidissements stra- tosphériqueet troposphérique.Ceci constitueànotreconnaissanceun résultat original.Lav alidationdes enregistrementsdepression danstoutela bande desondesde gravité apermis demenerdesétudesstatistiquespluriannuelles etd'échellemondiale surles spectresd'ondes degravité etlesmar éesatmo- sphériques.Ces travaux dethèseontconduitàlapublicationdedeux articles.

Untr oisièmeestenpréparation.

Mots-clés:ondede gravité,micr obaromètr e,métrologie,modélisation,

éclipsesolaire, maréeatmosphérique.

viitel-00740700, version 1 - 10 Oct 2012 tel-00740700, version 1 - 10 Oct 2012

Abstract

TheCompr ehensiveNuclear-Test-BanTreatyOr ganization(CTBTO)ma- nagesaninter nationalnetw orkofforty-twooperationalinfrasound stations recordingthepressurefluctuationspr oducedatthe groundsurfacebyinfra- sonicwa ves.Thisthesisdemonstratesthatmostofthesestationsalsoaccu- ratelydetectthe pressure fluctuationsinthe entiregravitywaveband. This workincludescarryingout andanalyzingse veralmetrologicallaboratory ex- perimentsanda fieldcampaign(M2008) inMongoliain 2008.Thela yout of theexperimentsas wellas theinterpr etationoftheirresultsga ve risetothe developmentofanewlinear spectralnumericalmodel abletosimulate thege- nerationand propagationof gravitywaves. Thismodelw asusedtoquantify thegravity wavesproduced bytheatmosphericcoolingthatoccursduringso- lareclipses.The pressure fluctuationsexpectedat groundlevelwere estimated andcompared tothedatarecorded duringthe1 August2008 solareclipse by theCTBTO andM2008stations.Adetaileddata analysisre vealstw ow aves withsimilartime-fr equencycharacteristicsto thosesimulatedforastratos- phericandtr oposphericcooling. Thisconstitutes,toourknowledge, aunique result.Thevalidationof worldwide andpluriannualpressuremeasur ements intheentir egra vitywaveband allowedthestatisticalstudy ofgravitywave spectraandatmospheric tides.Thew orkpresented throughoutthis thesishas ledtothe publicationoftw oarticles.A thirdone isinthe draftingprocess. Keywords:gravity wave,microbar ograph,metrology,modeling,solar eclipse,atmospherictide. ixtel-00740700, version 1 - 10 Oct 2012 tel-00740700, version 1 - 10 Oct 2012

Tabledes matières

Résumévii

Abstractix

Tabledes matièresxi

1Introduction1

1.1Contextederecher che........................3

1.1.1Surv eillancenucléaire......................3

1.1.2Réseauinfrason ..........................5

1.1.3Étudede l'atmosphèreà partirdesdonnées infrasonsduSSI.7

1.2O ndesde gravité...........................8

1.2.1Dynamiquede l'atmosphère...................8

1.2.2S ources... ... ... ... ... ... .. ... ... ... .11

1.2.3Techniques d'observation... ... ... ... ... ... .. 15

1.3Enjeuxdela thèse... ... ... ... ... ... .. ... ... .16

2Modélisationdelapropaga tiondesondes degravité 21

2.1ThéorieLinéaire.. ... ... ... ... ... ... ... .. ... 25

2.1.1Équationsfondamentales deladynamique desfluides... ..25

2.1.2Linéarisation... .. ... ... ... ... ... ... ... .27

2.1.3Équation dedispersion... ... ... ... ... ... .. ..31

2.1.4Ondesde gravité ... ... ... ... ... ... .. ... ..34

2.2Modèlelinéairespectral numérique... ... .. ... ... .39

2.2.1Objectifs... ... ... ... ... ... .. ... ... ... .39

2.2.2Article: Linearspectral numericalmodelfor internalgra vity

wavepropagation... ... .. ... ... ... ... ... .40

2.2.3Paquetd'ondes gaussien... ... .. ... ... ... ... .53

2.3Ondesgénéréesp arlep assaged'uneéclipse solaire... ..63

2.3.1Étatde l'art... ... ... ... ... ... ... .. ... ..63

2.3.2Solutions asymptotiques... ... .. ... ... ... ... .71

2.3.3Solutions évolutives... .. ... ... ... ... ... ... 80

Conclusion.. ... ... ... ... ... ... ... ... .. ... ... 91

3Validitéde lamesurebasse -fréquencedeschaînes deme-

sureinfrasons95

3.1Chaînedemesure infrason... ... ... ... ... ... .. .99

xitel-00740700, version 1 - 10 Oct 2012

3.1.1Stationsinfrasons duSSI... ... .. ... ... ... ... .99

3.1.2Capteurinfrason ... ... ... ... ... ... .. ... ..103

3.1.3MB2000... ... ... ... ... ... .. ... ... ... .107

3.2CampagnedemesureMongolie2008. ... ... ... ... ..107

3.2.1Préparation ... ... ... ... ... ... ... ... .. ..107

3.2.2Déploiement... ... ... ... ... ... .. ... ... .120

3.2.3Bilan... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ..127

3.3Validitéde lamesurede pressionbasse-fréquence... ... 127

3.3.1Incertitudessur lafonction detransfert... ... .. ... ..129

3.3.2Bruitpr oprede lachaînedemesure... ... ... ... ... 132

3.3.3Susceptibilité thermique... ... ... ... ... ... .. .133

3.3.4Article: UsingtheInter nationalMonitoring Systeminfra-

soundnetwork tostudygravityw aves ... ... ... ... .146 Conclusion... ... ... ... ... ... ... ... .. ... ... ..153

4Observationd'ondesdegra vitéetidentifica tiondes

sources155

4.1B andede fréquencedesondes degravité .. ... ... ... .159

4.1.1Analysespectrale ... ... ... ... ... ... .. ... ..159

4.1.2Marées atmosphériques... ... ... ... ... ... .. .163

4.1.3Analysetemps-fr équence... ... .. ... ... ... ... 169

4.2O ndesgénéréesp arlep assagedel'éclipsedu 1

er août2008.175

4.2.1Caractéristiquesde l'éclipsedu1

er août2008... ... ... .175

4.2.2Article: Surfacepressur efluctuationspr oducedby thetotal

solareclipseof 1August 2008... .. ... ... ... ... .176

Résumé,bilanetperspectives 191

AAnnexe:Modélisation195

A.1Théorielinéairedes ondesdegra vité.. ... ... ... ... 195 A.1.1Hauteurd'échelle ... ... ... ... ... ... .. ... ..195 A.1.2Linéarisationdes équationsfondamentalesde ladynamique desfluides... ... ... ... ... ... .. ... ... ..196 A.1.3Approximation deBoussinesq... .. ... ... ... ... .198 A.1.4Approximation pseudo-incompressible... ... ... ... .201 A.2Eclipse:Solutionsasymptotiquespseudo -incompressibles.208

BAnnexe:Traitementd usignaletmétrologie 213

B.1Transforméeenondelette discrète... ... ... ... ... .213 B.2Descriptiondu matériel-Divers... ... ... ... ... ..216

Notations219

Bibliographie223

xiitel-00740700, version 1 - 10 Oct 2012 1

Introduction

Sommaire

1.1Contextederecher che..........................3

1.1.1Surv eillancenucléaire...... ...... .. ... ... ... .3

1.1.2Réseauinfrason ... .. ... ... ... ... ... ... .. ... 5

1.1.3Étudede l'atmosphèreà partirdesdonnées infrasonsduSSI.7

1.2Ondesdegra vité..............................8

1.2.1Dynamiquede l'atmosphère ... ...... ... ... ... ..8

1.2.2Sour ces....... ... ... ... ... ... ... .. ... ... 11

1.2.3Techniques d'observation... ........ ... ... ... ..15

1.3Enjeuxdela thèse... ... ... ... ... ... .. ... ... ... 16

1tel-00740700, version 1 - 10 Oct 2012

tel-00740700, version 1 - 10 Oct 2012

1.1.Contextede recherche 3

1.1Contextederecher che

1.1.1Surv eillancenucléaire

Lecommissariatà l'énergie atomique(CEA)inter vientdanstroisgrandsdo- maines:l'éner gie,lestechnologies pourl'informationetla santé,ladéfense etlasécurité. Lepôle défenseduCEA estassuré parladir ectiondesappli- cationsmilitaires (DAM)quiconstitue,conçoit,fabrique,maintient encondi- tionopérationnelle,puis démantèleles têtesnucléaires quiéquipentles forces océaniqueset aéroportées.Elle estégalementchargéedela conceptionetde l'entretiendesréacteurs nucléairesassurant lapropulsiondesbâtimentsde laMarinenationale, sous-marinset porte-avions.Enfin, laDAMcontribue à laluttecontr elapr oliférationnucléaireetleterr orismeenmettant notam- mentsonexpertise auservice del'agenceinter nationaledel'éner gieatomique (AIEAouIAEA enanglaispour InternationalAtomic EnergyAgency) etde l'organisationdutraitéd'interdiction complètedesessais nucléaires(OTICE ouCTBTO enanglaispourComprehensive TestBan Treaty Organization).quotesdbs_dbs42.pdfusesText_42