Full-wave numerical simulation of T-waves and of moving acoustic sources
Simulation numérique en forme d'onde complète d'ondes T et de sources acoustiques en mouvement
Résumé
This thesis combines observations, simulations and development of high-performance numerical tools in the field of underwater acoustics, and in particular for the study of T-waves.
The term T-waves is generally associated with acoustic waves generated by seismic events that subsequently travel horizontally in the ocean at the speed of sound. After a thematic review of the literature on T-waves we analyzed real data recorded in Sicily and Calabria following earthquakes occurring near the West coast of Greece. In order to model the phenomenon, we developed an axisymmetric spectral-element solver (2.5-D) in the time domain, which we present and validate. This tool allowed us to realistically reproduce numerically one of the Greek earthquakes studied as well as the propagation of the resulting T-waves up to Sicily.
We also present a two-stage parametric study of the influence of seafloor slope in a typical T-wave generation/conversion scenario. The energy and duration of these waves is particularly sensitive to the environment. In particular, the slopes and characteristics of the seabed play a crucial role for both solid-fluid and fluid-solid conversion. These characteristics can mislead localization algorithms. Likewise, the depth and position of the earthquake relative to the slope is of great importance, with the presence of privileged areas for the generation of T-waves, which we have mapped. In addition, in the case of the conversion of an acoustic wave on a coast, our simulations predict that in some cases a strong Rayleigh wave can be generated, whose signal, recorded inland, is very sensitive to the slope and to the characteristics of the environment, but not very sensitive to the modal structure of the incident wave. This phenomenon may have interesting implications that we discuss.
However, our studies confirm that at regional distances (< 1000 km) the sound speed profile in the ocean is only a second-order parameter. To evaluate its impact we have developed a procedure for the calculation of transmission-loss and time-dispersion maps from full-wave numerical simulations in the time domain. In the configurations studied, the presence of the SOFAR channel slightly limits the time dispersion but only introduces a gain in terms of energy transmission of a few thousandths of dB per kilometer.
In a second step, we show that a medium-sized commercial vessel, as there are tens of thousands nowadays in the oceans of the globe, can generate by diffraction some T-waves of significant amplitude (of the order of those created by downslope conversion on a slope of 12^{\circ}) and of low dispersion. This mechanism of T-wave generation, to our knowledge undocumented, must be particularly frequent in areas in which maritime traffic is substantial and could explain some abyssal T-waves that are still not well understood. Taking the atmosphere into account in these simulations, we realized that the presence of these vessels could also produce guided infrasound in the lower layers of the atmosphere. This mechanism of infrasound production could be an alternative explanation to the evanescent coupling proposed by Evers et al. (2014) to explain the waves observed in Tasmania following an earthquake on the Macquarie Ridge.
Finally, we presented and validated some numerical tools to calculate the acoustic field created by a moving source. The method was applied to a light aircraft flying over the ocean. This configuration, presented by Buckingham (2010), can be used to estimate the pressure wave speed in marine sediments.
Cette thèse mêle observations, simulations et développement d'outils numériques haute performance dans le domaine de l’acoustique sous-marine, et notamment pour l’étude des ondes T.
Le terme ondes T est généralement associé à des signaux acoustiques générés par des événements sismiques et qui se déplacent ensuite horizontalement dans l'océan à la vitesse du son. Après une revue thématique de la littérature sur les ondes T nous avons analysé des données réelles enregistrées en Sicile et en Calabre à la suite de tremblements de terre survenus près de la côte ouest de la Grèce. Afin de modéliser le phénomène nous avons développé un solveur éléments spectraux axisymétriques (2.5-D) dans le domaine temporel, que nous présentons et validons. Cet outil nous a permis de reproduire numériquement de façon réaliste un des séismes grecs étudiés ainsi que la propagation des ondes T résultantes jusqu'en Sicile.
Nous présentons également une étude paramétrique en deux temps de l'influence de la pente du plancher océanique dans un scénario typique de génération/conversion d'une onde T. L'énergie et la durée de ces ondes s’avère être particulièrement sensible à l'environnement. En particulier nous avons vu que les pentes et les caractéristiques du fond marin jouaient un rôle capital autant sur la conversion solide - fluide que fluide - solide. Ces particularités peuvent d'ailleurs tromper les algorithmes de localisation. De même, la profondeur et la position du tremblement de terre vis-à-vis de la pente s'avèrent être de grande importance, avec la présence de zones privilégiées pour la génération des ondes T, que nous avons cartographiées. En outre, dans le cas de la conversion d'une onde acoustique sur une côte, nos simulations prédisent dans certains cas la création d'une forte onde de Rayleigh dont le signal, enregistré à l'intérieur des terres, est très sensible à la pente et aux caractéristiques de l'environnement, mais très peu sensible à la structure modale de l'onde incidente. Ce phénomène peut avoir des implications intéressantes que nous discutons.
Cependant, nos études confirment qu’aux distances régionales (< 1000 km) le profil de vitesse dans l'océan s'avère n'être qu'un paramètre de deuxième ordre. Pour en évaluer l’impact nous avons développé une procédure pour le calcul de cartes de perte de transmission et de dispersion à partir de simulations numériques en forme d'onde complète dans le domaine temporel. Dans les configurations étudiées, la présence du canal SOFAR limite légèrement la dispersion temporelle mais n'introduit un gain en termes de transmission énergétique que de l'ordre de quelques millièmes de dB par kilomètre.
Dans un second temps nous montrons qu'un bateau commercial de taille moyenne, comme il y en a aujourd'hui des dizaines de milliers sur les mers du globe, peut créer par diffraction des ondes T d'une d'amplitude conséquente (de l'ordre de celles créées par conversion « downslope » sur une pente de 12^{\circ}) et de faible dispersion. Ce mode de génération d'onde T, encore non documenté, doit être particulièrement fréquent dans les zones où le trafic maritime est important et pourrait expliquer certaines ondes T abyssales encore incomprises. En prenant l'atmosphère en compte dans ces simulations nous nous sommes aperçu que la présence de ces mêmes navires pouvait également générer des infrasons guidés dans les couches basses de l'atmosphère. Ce mode de production d'infrasons pourrait constituer une explication alternative au couplage évanescent proposé par Evers et al. (2014) pour expliquer les ondes observées en Tasmanie à la suite d'un tremblement de terre sur la dorsale Macquarie.
Pour finir, nous avons présenté et validé des outils numériques pour calculer le champ acoustique créé par une source en mouvement. La méthode a été appliquée au cas d'un avion léger volant au-dessus de l'océan. Cette configuration, présentée par Buckingham (2010), peut permettre d'estimer la vitesse des ondes de compression dans les sédiments.
Origine : Fichiers produits par l'(les) auteur(s)
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