Applications planétaire de la sismologie atmosphérique: signaux de l’atmosphère turbulente de Mars et perspectives d’observation dans l’ionospère de Vénus.

L’exploration des autres planètes de notre système solaire à travers des missions spatiales a amélioré notre compréhension de leur géologie, de leurs atmosphères et de leurs champs de gravité et magnétiques. Toutefois, la connaissance de la structure interne, ainsi que de la dynamique, soufre encore de l’absence des donneés géophysiques in situ. En effet , les méthodes géophysiques – et en particulier la sismologie, aujourd’hui la méthode la plus puissante pour explorer en dessous de la surface – n’ont pas été appliquées avec succès sur d’autres corps planétaires, à l’exception de la Lune. La mission InSight, qui va atterrir sur Mars le 26 Novembre 2018, sera le premier observatoire géophysique à explorer une autre planète. La charge utile inclut l’expérience sismique SEIS, qui sera installé à la surface de Mars : SEIS sera donc soumis à de larges variations de température, ainsi qu’à des fluctuations de vent et pression provoquées par la turbulence atmosphérique.

En préparant l’analyse des données InSight, nous avons modélisé des effets sismiques liés à l’atmosphère, spécifiquement la déformation quasi-statique engendrée par la propagation d’un champ de pression. Pour le faire, nous avons couplé des simulations à très haute résolution de la convection et de la turbulence atmosphérique avec la réponse du sol pour différents modèles de la surface proche. Ce forçage de pression est la contribution la plus importante au bruit d’environnement dans la bande 10-100 s. Toute fois, les signaux sismiques induits par la pression sont cohérents avec les fluctuations barométriques : nous avons donc développé une méthode de décorrelation de pression qui permet d’améliorer d’un facteur 5-10 le rapport signal sur bruit des enregistrements sismiques. Nous avons aussi analysé les effets sismiques des tourbillons de poussière, qui sont fréquents sur Mars et présentent une signature sismique particulière. Ces événements pourraient être détectés par SEIS régulièrement, probablement presque tous les jours, ou semaines. Les données météorologiques et sismiques peuvent aussi servir pour déterminer la structure de la subsurface au site d’atterrissage, à travers une inversion de la rigidité – décrite par la façon dont le sol réagit aux surcharges de pression – et de la vitesse des ondes de cisaillement, à travers l’analyse des résonnances à haute fréquence (f>1 Hz). Ceci devrait être possible jusqu’à une profondeur de quelques dizaines de mètres.

Dans le cas de la Terre, le sondage ionosphérique montre que l’atmosphère n’est pas seulement une source sismique, mais aussi que les ondes acoustiques et de gravités – couplées aux ondes sismiques – peuvent atteindre des hautes altitudes et être observées par une pluralité de techniques. La sismologie en télédétection pourrait résulter très puissante pour d’autres planètes, notamment Vénus : les conditions à la surface rendent en fait difficile la sismologie classique, et la densité élevée de l’atmosphère est responsable d’un couplage fort avec les ondes sismiques. Dans cette perspective, nous avons modélisé la propagation des ondes sismiques dans la haute atmosphère vénusienne, à 90-150 km, où des émissions airglow sont sensibles à la propagation des ondes acoustiques. Tout en considérant le couplage avec les espèces chimiques excitées, nous avons dérivé les signaux correspondants en termes de fluctuations des émissions airglow. Un modèle préliminaire de bruit pour une stratégie d’observation réaliste montre que des séismes de magnitude supérieure à 5-6 (selon la longueur d’onde observée) pourraient être détectés par une caméra airglow en orbite. En plus, ces observations seraient riches d’information sur la structure de la croûte et de la lithosphère, grâce à l’analyse de la dispersion des ondes de Rayleigh.