Multi-instruments detection of ionospheric perturbations generated by tsunami propagation
Détection multi-instruments des perturbations ionosphériques générées par la propagation des tsunamis
Résumé
This thesis analyzes the opportunities provided by ionospheric remote sensing for the detection and monitoring of the propagation of tsunamis. A multi-instruments approach was developed using mainly numerical simulation to understand the conditions under which gravity waves induced by the propagation of a tsunami affect the ionosphere, how they can be detected and what tsunami parameters can be found in ionospheric observations. This study essentially concerns the trans-oceanic propagation of tsunamis: approximately one hour is necessary for the gravity wave to develop and appear in the ionosphere. Near the source, it is mainly the gravito-acoustic waves generated by the rupture and movement of the ground which can be observed a few minutes after the earthquake. Firstly, this work theoretically explores the early detection capabilities of Over-The-Horizon (OTH) radars, through to low elevation angle ionospheric sounding. A complete ray tracing simulation in the ionosphere demonstrated the ability of OTH radars to detect and track the propagation of a tsunami. The Tōhoku (Japan) earthquake and tsunami of March 11, 2011 made it possible to obtain for the first time images of the gravity wave generated by the tsunami in 630.0 nm airglow. A complete modeling of the coupling between ocean-atmosphere-ionosphere and the consequent variation in luminescence was implemented to validate the models and confirm the link between experimental observations of luminescence and the propagation of the tsunami. Two innovative satellite techniques based on the passive detection of GNSS signals are studied: reflectometry and radio occultation. Future space missions, making full use of the signals from the different GNSS constellations, will be able to provide new altimeter and TEC measurements on the oceans. The response of these systems was analyzed for the Tōhoku tsunami case study. It was also possible to experimentally detect for the first time the gravity wave generated by the tsunami in data from COSMIC satellites. All of these ionospheric sounding techniques provide additional information on the propagation of tsunamis and gravity waves and could play a complementary role in tsunami monitoring and warning systems.
Ce travail de thèse analyse les opportunités apportées par la télédétection io- nosphérique pour la détection et la surveillance de la propagation des tsunamis. Une approche multi-instrumentale a été développée en utilisant principalement la simulation numérique pour comprendre les conditions dans lesquelles les ondes de gravité induites par la propagation d’un tsunami affectent l’ionosphère, comment elles peuvent être détectées et quels paramètres du tsunami peuvent être retrouvés dans les observations ionosphériques. Cette étude concerne essentiellement la pro- pagation trans-océanique des tsunamis : environ une heure est nécessaire pour que l’onde de gravité se développe et apparaisse dans l’ionosphère. Près de la source ce sont surtout les ondes gravito-acoustiques générées par la rupture et le déplacement du sol qui peuvent être observées dès quelques minutes après le séisme. En premier lieu ce travail explore théoriquement les capacités de détection pré- coce des radars trans-horizon (OTH), grâce au sondage ionosphérique à bas angle d’élévation. Une simulation complète de tracé de rayons dans l’ionosphère a permis de mettre en évidence la capacité des radars OTH de détecter et suivre la propaga- tion d’un tsunami. Le séisme et le tsunami de Tōhoku (Japon) du 11 mars 2011 ont permis d’obtenir pour la première fois des images de luminescence atmosphérique à 630.0 nm de l’onde de gravité générée par le tsunami. Une modélisation complète du couplage entre océan-atmosphère-ionosphère et de la conséquente variation de luminescence a été mise en oeuvre pour valider les modèles et confirmer le lien entre les observations expérimentales de luminescence et la propagation du tsunami. Deux techniques satellitaires novatrices basées sur la détection passive de signaux GNSS sont étudiées : la réflectométrie et l’occultation radio. De futures missions spa- tiales, utilisant pleinement les signaux des différentes constellations GNSS pourront fournir de nouvelles mesures altimétriques et de TEC sur les océans. La réponse de ces systèmes a été analysée pour l’étude de cas du tsunami de Tōhoku. Il a été aussi possible de détecter expérimentalement pour la première fois l’onde de gravité générée par le tsunami dans les données des satellites COSMIC. L’ensemble de ces techniques de sondage ionosphérique apportent des informa- tions additionnelles sur la propagation des tsunamis et des ondes de gravité et pour- ront jouer un rôle complémentaire dans les systèmes de surveillance et d’alerte des tsunamis.
| Origine | Fichiers produits par l'(les) auteur(s) |
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