From ocean waves to the stratosphere with infrasound: PhD viva of Marine De Carlo this Tuesday 15 December

We've explored the abyss and the solid Earth with microseisms, and now LOPS has joined forces with CEA to look to the skies: using the infrasound radiated from ocean waves all across the middle atmosphere. This work was made possible by previous developments around microseisms as part of the ERC-funded "Integrated Ocean Waves for Geophysical and Other Applications (IOWAGA)" project, and  the ANR-funded "Microseism Modeling for Oceanographic and Seismic Applications (MIMOSA)". Marine De Carlo is having her viva this 15 Decembre 2020, all recorded here (in French) https://youtu.be/ETxwSZFZsC0 .

Microbaroms have been known since the 1930s and qualitatively understood since the 1960s: these are acoustic waves with periods around 5 s that are caused by ocean waves and radiate throughout the atmosphere.  Quantitatively, things are more tricky: are the sources of microbaroms and microseisms the same? Is there any influence of the water depth on the magnitude of the microbaroms? In order to be able to answer "not exactly" and "a little" to these two questions, Marine has deployed her multi-faceted skills to go all the way to a full numerical model of the microbaroms: from the winds that generate ocean waves, to the measurements of the microbarometer stations of the International Monitoring System, that is designed to enforce the Comprehensinve (nuclear) Test Ban Treaty (CTBT).

Il a fallu reprendre les travaux théoriques de l'académicien Leonid Brekhovskikh et son équipe (1973) pour y rajouter l'effet d'une profondeur finie de l'océan, et arriver à une théorie des sources de microbaroms qui explique beaucoup mieux les observations que d'autres théories plus récentes  et beaucoup plus utilisés qui ont fait des hypothèse (trop) simplificatrices sur les vagues. En effet, les propriétés des vagues sont déterminantes, en particulier la présence d'energie se propageant dans des directions opposées et à la même fréquence est la condition nécessaire pour la génération des microbaroms et microséismes. Contrairement aux microseismes le spectre des sources n'est pas blanc (uniforme autour de K=0) mais très "violet": pour une fréquence donnée ce sont les courtes longueurs d'ondes, qui se propagent avec une direction proche de l'horizontale, qui sont dominantes: la source de microséismes est amplifiée par un facteur Ra qui dépend un peu de la profondeur d'eau h  et beaucoup de l'angle de l'azimuth de propagation dans l'air theta_a.

Une des difficultés principales dans l'analyse des microbaroms est leur propagation dans des région d' l'atmosphère qui sont très peut connues: les vents de la stratosphère ont un effet très important sur la propagation et la détection des microbaroms. Un modèle semi-empirique de propapgation et attenuation a permis d'exploiter 7 ans de données sur tout le réseau global de mesures des infrasons. 

Enfin, alors que le modèle numérique prévoit un spectre directionnel des infrasons, les observations sont aujourd'hui disponibles sous la forme d'événements de détection. Il a donc fallu définir une probabilité de détection de ces événements à partir des résultats du modèle pour pouvoir faire une validation statistique de l'ensemble de la chine de modélisation.

Cette thèse qui a présenté la première validation globale d'un modèle de microbaroms a permis de confirmer l'importance du vent statosphérique dans la propagation des microbaroms, la faible importance de la profondeur dans le mécanisme de génération, et l'importance de la réflection des vagues à la côte dans la source de microbaroms. Ces travaux ont fait l'objet de 2 articles publiés et 4 en cours d'évaluation, avec un vaste éventail de perspective qui vont jusqu'à l'amélioration de la forme du spectre des vagues simulé par le modèle WAVEWATCH III en particulier du fait de la réflection des vagues à la côte et par les icebergs, et l'assimilation des détections de microbaroms dans les modèmes de circulation atmosphérique.