Proposition de thèsePhD proposal 2017



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Proposition de thèsePhD proposal 2017
Titrle :

Atmospheric imaging and characterisation of sources of infrasounds in the coupled solid/atmosphere system : numerical modeling and instrumentation for terrestrial and planetary applications.Imagerie de l'atmosphère et caractérisation des sources d'infrasons dans le système couplé solide/atmosphère : modélisation numérique et instrumentation pour des applications terrestres et planétaires.


EncadrantSupervisors :

  1. Raphael F. Garcia (HDR)

  2. Roland Martin (HDR)


Equipe de rechercheResearch teams :

  1. ISAE Recherche / DEOS / SSPA

  2. UPS/OMP/GET/ Equipe Géophysique


Co-financementfunding :

DGA Club des partenairesFrench DoD (co-financement acquis en 2016)


Problématique généraleContext :

Numerical simulations of the propagation of sound and gravity waves in planetary atmospheres do not currently give an exact description of the propagation of waves in 3D models from the surface to the limits of the thermosphere. The SSPA team of ISAE-SUPAERO, in collaboration with the geophysics' team of GET laboratory in Toulouse and the LMA in Marseille, is developing such a tool as part of a thesis that began in September 2014. The numerical tools developed in this framework (Brissaud et al., 2016, Brissaud et al., Submitted) make it possible to model the propagation of seismic, acoustic and gravity waves in solid/atmosphere coupled systems including surface topography and atmospheric models whose properties vary only as a function of altitude (wind profile, attenuation, changes in sound velocity and density). These tools have been validated, but they are currently limited to 2D applications in idealized atmospheres (isotherm for example).


Despite these limitations, the applications of the tool are already innumerable (explosions, influence of climatic variations on wave propagation, propagation of seismic waves in the atmosphere ...). We would like to dedicate a doctoral student to the implementation of a 3D tool in realistic models of planetary systems on a global scale (Earth, Venus, Mars).
For terrestrial applications, ISAE-SUPAERO's SSPA team is funded by the DGA both to develop balloon instrumentation for infrasound measurement, and has co-funded this thesis to develop tools for modeling of these measurements. For the planetary part, the SSPA team participates in two JPL Venus mission studies (NASA) to image the internal structure of Venus using atmospheric waves created by earthquakes (Garcia et al., 2005). The first project aims to develop a payload for the measurement of infrasounds on balloons, and thus joins the terrestrial instrumentation. The second one concerns the detection of these acoustic waves of seismic origin from the Venus orbit by imaging the variations of ariglow emissions of the upper atmosphere. In addition, proponents are also heavily involved in the NASA INSIGHT mission (also in collaboration with JPL / Caltech), which will go to Mars in 2018 and for which seismological and infrasound sensors will also constrain the internal structure of Mars (Garcia et al ., 2016).
Les simulations numériques de propagation des ondes sonores et de gravité dans les atmosphères planétaires ne permettent actuellement pas une description exacte de la propagation des ondes dans des modèles 3D allant de la surface aux limites de la thermosphère. L'équipe SSPA de l'ISAE-SUPAERO, en collaboration avec l'équipe de géophysique numérique du GET à Toulouse et du LMA à Marseille, met au point un tel outil dans le cadre d'une thèse qui a débuté en septembre 2014. Les outils numériques développés dans ce cadre (Brissaud et al., 2016 ; Brissaud et al., soumis) permettent de modéliser la propagation des ondes sismiques, acoustiques et de gravité dans des systèmes couplés solide/atmosphère incluant la topographie de surface, et pour des modèles atmosphériques dont les propriétés ne varient qu'en fonction de l'altitude (profil de vents, atténuation, variations de la vitesse du son et de la densité). Ces outils ont été validés, mais ils restent pour l'instant limités à des applications 2D dans des atmosphères idéalisées (isotherme par exemple). Il serait aussi souhaitable d’inclure des couplages avec les océans.

Malgré ces limitations, les applications de l'outil sont d'ores et déjà innombrables (explosions, influence des variations climatiques sur la propagation, propagation des ondes sismiques dans l'atmosphère …). Nous souhaiterions dédier un doctorant à la mise en place d'un outil 3D dans des modèles réalistes de systèmes planétaires à l'échelle globale (Terre, Vénus, Mars).

Pour les applications terrestres, l'équipe SSPA de l'ISAE-SUPAERO est financé par la DGA à la fois pour développer une instrumentation ballon pour la mesure des infrasons, et dispose d'un co-financement de cette thèse pour développer les outils de modélisation de ces mesures. Pour la partie planétaire, l'équipe SSPA participe à deux études de concept de mission vers Vénus menées par le JPL (NASA) pour imager la structure interne de Vénus au moyen des ondes atmosphériques crées par les séismes (Garcia et al., 2005). Le premier projet vise à développer une charge utile pour la mesure des infrasons sur ballon, et rejoint donc l'instrumentation terrestre. Le deuxième porte sur la détection de ces ondes acoustiques d'origine sismique depuis l'orbite de Vénus en imageant les variations des émissions lumineuses de la haute atmosphère. De plus, les proposants sont également fortement impliqués dans la mission NASA INSIGHT (également en collaboration avec JPL/Caltech) qui partira vers Mars en 2018 et pour laquelle les capteurs sismologiques et infrasons permettront également de contraindre la structure interne de Mars (Garcia et al., 2016).
Programme de la thèsePhD program :

The objective of the thesis will be to explore the atmospheric signals (acoustic waves and gravity waves) created by the entry of bolides in the upper atmosphere, seismic vibrations of the ground, and atmospheric explosions (volcanoes, impacts of meteorites...) . This in order to define instrument specifications for future infrasound measurements on balloons in the atmospheres of Venus and Earth, but also to determine the characteristics of the sources and to image the propagation medium from the signals measured by the ballon experiments and the INSIGHT mission to Mars. Particular attention will be paid to the study of the effects of topography and winds on the propagation of waves.


First, the objective will be to extend the domain of simulations to regional and global scales in 3D and to integrate realistic atmospheric models in order to have a good representativeness of the coupled solid / ocean / Atmosphere of the planets considered. In addition, optimized absorbing boundary conditions will have to be developed in order to reduce the calculation costs.
Then, in order to determine the structure of the propagation medium (atmosphere, solid part of the planets), the student will have to set up and validate a modeling of the source of atmospheric waves, in particular for sources located in the atmosphere such as meteorite entries and sources from atmospheric dynamics (dust devils on Mars, polar vortex on Venus...). For this purpose, the combined use of acoustic and gravity waves (intrinsic to the simulation tool) will allow to remove the uncertainty on the source parameters.
The student will also develop data inversion tools to image the structure of the propagation medium. Depending on the type of source (earthquakes, explosion, atmospheric excitation, etc.) and its characterization level (spatio-temporal position, frequency content, etc.), but also depending on the type of sensor (ground or balloon pressure sensor, seismometer), various tools will be implemented to minimize the effect of uncertainties on the characteristics of the source in the imagery of the atmosphere.

L'objectif de la thèse sera d'explorer les signaux atmosphériques (ondes acoustiques et de gravité) créés par l'entrée de bolides dans la haute atmosphère, les vibrations sismiques du sol, et les explosions atmosphériques (volcans, impacts de météorites …). Ceci afin de définir des spécifications d'instruments pour les futures mesures infrasons sur ballons dans les atmosphères de Vénus et de la Terre, mais également de déterminer les caractéristiques des sources et d'imager le milieu de propagation à partir des signaux mesurés par les expériences ballons terrestres et la mission INSIGHT sur Mars. Une attention particulière sera portée sur l'étude des effets de la topographie et des vents dans la propagation des ondes.

Dans un premier temps, l'objectif sera d'étendre le domaine des simulations à des dimensions régionales et globales en 3D et d'intégrer des modèles réalistes d'atmosphère afin d'avoir une bonne représentativité du système couplé solide(/océan)/atmosphère des planètes considérées.

Puis, pour permettre la détermination de la structure du milieu de propagation (atmosphère, partie solide des planètes), l'étudiant devra mettre en place et valider une modélisation de la source de ondes atmosphériques, en particulier pour les sources se situant dans l'atmosphère telles que les entrées de météorites et les sources issues de la dynamique atmosphérique (tourbillons de poussières sur Mars, vortex polaire sur Vénus…). Pour cet objectif, l'utilisation combinée des ondes acoustiques et de gravité (intrinsèque à l'outil de simulation) permettra de lever l'incertitude sur les paramètres à la source. Dans certains cas il serait bon de réduire les modélisations à des échelles régionales en introduisant des conditions absorbantes optimisées afin de diminuer les coûts de calcul.



L'étudiant développera également des outils d'inversion des données pour imager la structure du milieu de propagation. Selon le type de source (séismes, explosion, excitation atmosphérique…) et son niveau de caractérisation (position spatio-temporelle, contenu fréquentiel…), mais également selon le type de capteur (capteur de pression au sol ou sur ballon, sismomètre), différents outils seront mis en œuvre pour minimiser l'effet des incertitudes sur les caractéristiques de la source dans l'imagerie du milieu.
Réeféerences of the team : de l'équipe sur le sujet :

  • Brissaud Q., R. Martin, R.F. Garcia, D. Komatitsch, submitted, Hybrid Galerkin numerical modeling of elastodynamics and compressible Navier-Stokes couplings: applications to seismo-gravito acoustic waves, Geophys. J. Int.

  • Roland Martin, Sébastien Chevrot, Dimitri Komatitsch, L. Seoane, S. Bonvalot, G. Dufréchou and S. Bruinsma, A high-order 3D spectral-element method for the forward modelling and inversion of gravimetric data - Application to the western Pyrenees, Geophysical Journal International, in press (2017).

  • Garcia R.F., Q. Brissaud, L. Rolland, R.Martin, D. Komatitsch, A. Spiga, P. Lognonné, B. Banerdt, 2016, Finite-Difference Modeling of Acoustic and Gravity Wave Propagation in Mars Atmosphere: Application to Infrasounds Emitted by Meteor Impacts, Space Science Reviews, doi:10.1007/s11214-016-0324-6

  • Garcia R.F., S. Bruinsma, L. Massarweh, E. Doornbos, 2016, Medium scale gravity wave activity in the thermosphere inferred from GOCE data, J. Geophys. Res. Space Physics, 121(8), 8089-8102.

  • Brissaud Q., R. Martin, R.F. Garcia, D. Komatitsch, 2016, Finite-difference numerical modelling of gravito-acoustic wave propagation in a windy and attenuating atmosphere, Geophys. J. Int., doi: 10.1093/gji/ggw121

  • Zhinan Xie, René Matzen, Paul Cristini, Dimitri Komatitsch and Roland Martin. A perfectly matched layer for fluid-solid problems: Application to ocean-acoustics simulations with solid ocean bottoms, Journal of the Acoustical Society of America, vol. 140(1), p. 165-175, doi: 10.1121/1.495

  • Zhinan Xie, Dimitri Komatitsch, Roland Martin and René Matzen, Improved forward wave propagation and adjoint-based sensitivity kernel calculations using a numerically stable finite-element PML, Geophysical Journal International, vol. 198(3), p. 1714-1747, doi: 10.1093/gji/ggu219 (2014)4736 (2016)

  • Garcia R.F., E. Doornbos, S. Bruinsma, H. Hébert, 2014, Atmospheric gravity waves due to the Tohoku-Oki tsunami observed in the thermosphere by GOCE, J. Geophys. Res. 119, 4498-4506, DOI: 10.1002/2013JD021120

  • Garcia R.F., S. Bruinsma, P. Lognonné, E. Doornbos, F. Cachoux, 2013, GOCE : the first seismometer in orbit around the Earth, Geophys. Res. Lett. 40, 1–6, doi:10.1002/grl.50205

  • Roland Martin, Dimitri Komatitsch, Stephen D. Gedney and Émilien Bruthiaux, A high-order time and space formulation of the unsplit perfectly matched layer for the seismic wave equation using Auxiliary Differential Equations (ADE-PML). Computer Modeling in Engineering and Sciences, vol. 56(1), p. 17-42 (2010).

  • Roland Martin and Couder-Castaneda, Carlos. An improved unsplit and convolutional perfectly matched layer absorbing technique for the navier-stokes equations using cut-off frequency shift. Computer Modeling in Engineering & Sciences(CMES), 63, 1, 44-77, 2010.

  • Garcia R.F., P. Drossart, G. Piccioni, M. Lopès Valverde, 2009, Gravity waves in Venus upper atmosphere revealed by CO2 Non Local Thermodynamic Equilibrium emissions, J. Geophys. Res., 114, E00B32, doi:10.1029/2008JE003073, 2009

  • Roland Martin, Dimitri Komatitsch, Céline Blitz and Nicolas Le Goff, Simulation of seismic wave propagation in an asteroid based upon an unstructured MPI spectral-element method: blocking and non-blocking communication strategies, Lecture Notes in Computer Science, vol. 5336, p. 350-363 (2008).

  • Garcia, R., X. Bonnin and P. Lognonné, 2005, Detecting atmospheric perturbations produced by Venus quakes, Geophys. Res. Lett., 32, L16205, doi:10.1029/2005GL023558


Profil des cCandidates profile :

European (or swiss) nationality required.


Master of atmospheric sciences, geophysics, planetology, universe science, applied mathematics, preferentially with an engineer diploma. Scientific curiosity, interest for space exploration and numerical modeling, teamwork capabilities.
Nationalité Européenne requise.

Master sciences atmosphériques, planétologie, sciences de l'univers, mathématiques appliquées, préférentiellement avec un diplôme d'ingénieur (ISAE, INSA …). Curiosité scientifique, goût pour l'exploration spatiale et pour le numérique, faculté de travail en équipe.




Figure 1 : On the left, first page of Keck Institute report “Probing the internal structure of Venus” describing ballon and orbital platforms for atmospheric seismology. On the right INSIGHT NASA lander with a description of the various instruments.

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