Je suis
FR FR
Citoyen / Grand public
Chercheur
Étudiant / Futur étudiant
Entreprise
Partenaire public
Journaliste
Enseignant / Elève

Tomographie 2D et 3D de l’ionosphère par GPS: applications aux aléas géophysiques

19/02/2007

IPGP - Campus Jussieu

14:00

Soutenances de thèses

Salle Bleue

François CRESPON

devant le jury: J.-J. BERTHELIER .............. Examinateur E. CALAIS ..................... Rapporteur R. GARCIA ..................... Co-directeur de thèse P. LOGNONNE ................... Directeur de thèse J.-P. MONTAGNER ............... Préseident du uury C. VIGNY ...................... Rapporteur Résumé: Ce travail de thèse propose une approche observationnelle de la sismologie ionosphérique en s?appuyant sur le système GPS. Lors d?un séisme, les déplacements verticaux du sol induisent l?excitation de modes atmosphériques spécifiques. Ceci se traduit par la propagation d?ondes acoustiques et d?ondes de gravités qui produisent, par entraînement, la propagation de perturbations ionosphériques. Ce phénomène, détecté depuis les années 60 par sondeur Doppler, est aujourd?hui observé grâce aux réseaux GPS denses avec une résolution jamais atteinte. Sans négliger de faire une revue des points clés du sondage ionosphérique par GPS, nous décrivons les méthodes d?imagerie 2D et 3D que nous avons développé pour étudier la dynamique de l?ionosphère. Tout d?abord, la cartographie 2D du contenu électronique total (TEC), initialement développée au sein de l?équipe, a été consolidée et optimisée dans le cadre du service opérationnel SPECTRE. Les produits de ce service, archivés depuis 2 ans, sont évalués en terme de qualité, mais aussi en terme d?intérêt pour la communauté scientifique. Forts de ces acquis, nous avons développé, et présentons ici, deux méthodes de tomographie 3D dédiées respectivement à l?estimation de la densité d?électron et de ses fluctuations générées par des ondes infrasons post-sismiques. Ensuite, nous détaillons les conditions de détection spécifiques à la sismologie ionosphérique par GPS avant de décrire les événements sismiques étudiés. Dans cette approche, nous réalisons une analyse du bruit hautes fréquences des mesures GPS. Les résultats, obtenus à partir de données GPS partagées par la communauté internationale et reproduits expérimentalement, mettent en évidence des différences dans la capacité de détection des perturbations ionosphériques post-sismiques suivant le type de récepteurs GPS utilisés. Enfin, nous présentons l?étude de ce type de perturbations à la suite des séismes de Denali (2002, Mw=7,8) et de Tokachi-oki (2003, Mw=8,3). Ces perturbations sont respectivement observées à grandes distances et en champ proche. Le processus de génération de ces perturbations peut alors être différencié en fonction de la distance épicentrale. En champ proche, ce processus fait l?objet d?une attention particulière. En effet, en évaluant la structure et les vitesses locales de propagation des perturbations ionosphériques nous parvenons à mettre en évidence des caractéristiques liées au rayonnement de l?énergie du séisme. Ceci nous permet alors de contraindre l?azimut du plan de faille et l?extension de la source sismique. Cette avancée démontre l?intérêt des observations ionosphériques lors d?importants séismes, en apportant des informations complémentaires à celles des sismomètres, notamment au niveau des marges océaniques où le développement pérenne de réseaux sismiques reste un challenge. Abstract: This Ph.D thesis proposes a study about the use of GPS networks for ionospheric seismology. During an earthquake, the vertical displacements of the ground excite specific modes of the atmosphere. The induced acousitc and gravity waves generate perturbations of the ionospheric plasma because of collisions between particules. This phenomenon has been observed with Doppler sounders since sixties. Today, these ionospheric waves can be imaged by dense GPS networks with time and spatial resolutions never reached by Doppler sounders observations. Therefore, in this study, we focus on the development of 2D and 3D imaging of the ionosphere?s dynamic without neglecting to review specificities of the ionospheric GPS monitoring. First of all, we describe the optimisation the 2D mapping of the ionosphere, initiated by previous investigations, which provide an operational service in the framework of SPECTRE project. The TEC maps, archived since April 2004 in a database, are evaluated in term of quality by comparing them with TEC maps produced by others institutions. Therefore, we present algorithms upgrades corresponding to the development of two methods of 3D tomography. Each one is respectively dedicated to the assessment of electron density and plasma fluctuations induced by post-seismic acoustic waves. Then, we describe the detection thresholds specific to ionospheric seismology by GPS and several earthquakes for which we observed perturbations. In this part, we analyse high frequency noise level of GPS data and point out the differences of abilities for ionospheric seismology between several types and brands of GPS receivers. Finally, we present detailed studies for the Denali (2002, Mw=7.8) and Tokachi-oki (2003, Mw=8.3). Ionospheric perturbations are respectively observed at far field and over epicentres. Then, we distinguish mechanisms of generation for these two regions and we focus on perturbations generated at near field. In this area, we manage to get characteristics of earthquake?s energy radiation by estimating local propagations of ionospheric waves. For the first time, it is possible to estimate azimuth of fault and assess local propagation of an earthquake?s rupture by monitoring ionosphere. Consequently, these results demonstrate the interest of GPS observations of post-seismic ionospheric perturbations as complementary seismic data, especially to study earthquakes of high magnitudes and earthquakes located on oceanic margins where permanent seismometers networks still remain prospects.