Garcia et al

ATTENUATION DES INFRASONS D'ORIGINE SISMIQUE DANS L'ATMOSPHERE DE VENUS.
R. Garcia1 et J. Boisson1, 1Etudes Spatiales et Planétologie, Institut de Physique du Globe de Paris, 4 ave de
Neptune, 94107 Saint Maur des Fossés ([email protected])
Introduction: Vénus est une planète
tectoniquement active comme en témoigne le jeune
âge de sa surface. Cependant, la structure interne de
la planète est peu connue, et la dynamique interne
(absence de tectonique des plaques…) ainsi que la
tectonique de surface (formations volcaniques et
failles) sont assez mal comprises. De nombreuses
questions se posent sur la dynamique globale de la
planète et sur les intéractions à long terme entre la
tectonique et le climat de Vénus.
Un moyen de contraindre à la fois la
structure interne et la tectonique de surface est de
quanitifier l'activité sismique de Vénus. Cependant,
les conditions de température et de pression à la
surface de Vénus rendent le déploiement d'un réseau
de sismomètres très difficile. Afin de contourner
cette difficulté, nous proposons de détecter et de
quantifier l'activité sismique et volcanique de la
planète au travers des perturbations atmosphériques
créées par ces phénomènes. De telles perturbations
ont déjà été détectées [1,2], modélisées [3] et
imagées [4,5] dans l'ionosphère terrestre. Dans cette
étude nous étudions l'amplitude dans la haute
atmosphère des ondes infrasons émises par des
séismes à la surface Vénus. En particulier, nous
détaillons les processus d'amplification et
d'atténuation des ondes infrasons par un modèle
réaliste d'atmosphère.
Amplification des infrasons: Lors de leur
propagation verticale dans l'atmosphère de Vénus,
les ondes infrasoniques émises par les vibrations du
sol sont amplifiées par la décroissance de la densité
de l'atmosphère. En effet, la propagation des
infrasons est adiabatique et conserve ainsi l'énergie
cinétique de l'onde. Donc, la vitesse de déplacement
des couches par l'onde de pression est amplifiée d'un
facteur égal à 1/√r, avec r la densité de l'atmosphère,
atteignant ainsi 100 000 à 150 km d'altitude. En
outre, la forte densité des couches atmosphériques à
la surface de Vénus assure un couplage entre le sol et
l'atmosphère 60 fois plus éfficace sur Vénus que sur
Terre [6], transférant ainsi environ 6% de l'énergie
du séisme à l'atmosphère de Vénus [7].
Atténuation des infrasons: Les processus
non adiabtiques d'atténuation des ondes infrasons
peuvent etre divisés en 3 grandes catégories: ceux
dus à une atmosphère de CO2 en phase gazeuse,
ceux engendrés par le passage dans un milieu
biphasique comme les nuages de Vénus, et enfin,
l'atténuation ou la perte de cohérence créée par les
mouvements de turbulence de l'atmosphère. Ces
processus dépendent de la fréquence. Ainsi, les
hautes fréquences sont atténuées dans la basse
atmosphère et seules les plus basses fréquences
(<0.05 Hz) atteignent les plus hautes altitudes et
donc les plus fortes amplications.
L'atténuation par une atmosphère de
dioxyde de carbone est divisée en 3 effets[6]:
atténuation classique par la viscosité et la
conductivité thermique et atténuations par les modes
de rotation et de vibration des molécules de CO2.
Ces effets d'atténuation sont résumés sur la figure 1.
Figure 1: (a) Logarithme du coefficient d'absorption classique
(ligne pleine), de rotation (tirets) et de vibration (pointillés) dans
une atmosphère de CO2 pur à 0.1 Hz. (b) Logarithme du facteur
d'amplication des ondes infrasons dans l'atmosphère de Vénus à
différentes fréquences: 10 mHz (cercles), 100 mHz (étoiles), 1 Hz
(triangles), 10 Hz (triangles pleins) et 100 Hz (triangles pleins
inversés). D'après Garcia et al. 2005 [6].
L'atténuation des ondes dans un milieu
biphasique tel que les nuages de Vénus est un
phénomène complèxe qui comprend plusieurs effets:
la diffraction de l'onde sur les gouttes, les processus
de relaxation engendrés par le changement de phase
sous l'effet de l'onde de pression (diffusions
thermiques et moléculaires entre les gouttes), et les
effets liés à la différence de viscosité entre le gaz et
les gouttes. Nous présentons une modélisation
analytique qui repose sur des travaux d'acousticiens
de l'atmosphère afin de quantifier ces effets.
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Enfin, l'effet de la turbulence
atmosphérique dans la couche de nuages et dans la
haute atmosphère est abordé.
Conclusion: L'effet d'amplification et de
filtrage des ondes infrasoniques par une atmosphère
de CO2 pur est bien modélisé et autorise
l'observation des ondes infrasons créées par les
séismes dans la haute atmosphère au delà de 130 km
d'altitude pour des magnitudes (>6) correspondants à
celles attendues sur Vénus [6]. Cependant,
l'atténuation entrainée par les nuages et par la
turbulence atmosphérique vient s'ajouter au
processus précédent et a un effet non négligeable
dans la bande de fréquences sismiques. Il est
cependant difficile d'obtenir une quantification
précise pour ces processus qui sont étudiés
activement comme par des domaines de recherche à
part entière.
La détection éventuelle de ces signaux par
la mission Vénus Express permettrait de valider le
concept et ainsi de préparer de futures missions
dédiées à l'étude de ces signaux.
Citations:
[1] Kelley M., Livingston R. et McCready M.
(1985) Geophys. Res. Lett.,
12, 577– 580.
[2] Ducic V., Artru J. et Lognonné P. (2003)
Geophys. Res. Lett., 30(18), 1951,
doi:10.1029/2003GL017812.
[3] Artru J., Lognonné, P. et Blanc, E. (2001)
Geophys. Res. Lett., 28, 697-700.
[4] Garcia R., Crespon F., Ducic V. et Lognonné P.
(2005) Geophys. J. Int., 163, 1049-1064
[5] Lognonné P., Artru J., Garcia R., Crespon F.,
Ducic V., Jeansou E., Occhipinti G., Helbert J.,
Moreaux G. et Godet P. E. (2006) Planet. Space
Science, 54, 528-540.
[6] Garcia R., Lognonné P. et Bonnin X. (2005)
Geophys. Res. Lett., 32, L16205,
doi:10.1029/2005GL023558.
[7] Lognonné P., Personal communication