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Les Infrasons dans l'atmosphère |
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Les sources d’infrasons sont très variées. Elles sont d’origine naturelle (perturbations météorologiques, orages magnétiques, vents, houle océanique…), ou artificielles (explosions, avions supersoniques …). Les ondes infrasonores sont des ondes élastiques dont les fréquences se situent au dessous du domaine audible (<20 Hz), capables de se propager sur de grandes distances. Les ondes acoustiques se propagent par réflexions multiples sur les différentes couches de l'atmosphère et au sol, avec des vitesse de l'ordre de 330 m/s, plus ou moins aidées ou contrariées pas des vents en altitude. Certaines propagations peuvent bénéficier de guides d'onde notament dans la stratosphère et la thermosphère. Enfin certaines sources infrasonores sont sufisament puissantes (forte explosion volcanique ou nucléaire) pour secouer l'atmosphère en générant des ondes de gravité avec des périodes de quelques minutes. Ces propagations peuvent faire plusieurs fois le tour de la terre. |
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Infrasons
d'origine troposphérique |
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Houle océanique et ondes de montagnes
Les infrasons les plus fréquents sont formés par l'effet des vents sur les montagnes et par
la houle océanique. Ils se propagent sur des distances importantes et peuvent être observés
dans pratiquement toutes les stations infrasons du monde. Un suivi de houle de l'Atlantique nord a pu être
établi à partir de la station installée à Flers, en Normandie (Fig. 1).
D'autres part, parfois superposées à la houle, des ondes de période de 10 à 100 s sont
fréquemment observées. Elles ont pour origine la formation de turbulences atmosphériques
au-dessus de reliefs montagneux exposés à des vents violents. Elles peuvent être
observées continûment pendant plusieurs jours. A partir d’observations en Mongolie,
Guyane et Bolivie, les sources de production de ces ondes ont pu être localisées dans les
chaînes de l’Himalaya et de la Cordillère des Andes.
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Fig. 1 : Mesure sur
une période de plusieurs jours de l'azimut de la houle
océanique enregistrée à Flers. La couleur des points indique
les valeurs calculées de vitesse horizontale dont les
variations entre 0.34 et 0.39 km/s traduisent des inversions
des vents en altitude. Les variations cycliques de l'azimut
sont corrélées à des cartes de hauteurs des vagues sur
l'océan atlantique. |
Orages atmosphériques
Les orages atmosphériques constituent une autre source d'infrasons
dont les effets sont plus locaux (jusqu'à quelques centaines
de kilomètres d'un front orageux). Les infrasons générés par
le tonnerre, ont une fréquence supérieure à 0,5 Hz. Ils peuvent
être identifiés par comparaison avec les observations électromagnétiques
des éclairs (Fig. 2). D'autres infrasons sont générés par les
mouvements convectifs des masses d'air, la période est alors
de l'ordre de la dizaine de minutes.
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Fig. 2 : Détection
par la station IS17 (Côte-d'Ivoire) du déplacement d'une
perturbation orageuse. |
Volcans
Les infrasons produits par certaines éruptions volcaniques peuvent
encore être observés après avoir fait le tour de la terre. Des éruptions
comme celles du Mont St Helens (Etats-Unis, 1980) ou du Pinatubo
(Philippines, 1991) ont libéré des énergies comparables à celles
d'essais nucléaires atmosphériques mégatonniques.
A une échelle continentale, les infrasons produits par l'Etna
ont été détectés à Flers et un suivi de l'activité a pu être
effectué de mai à juillet 2002. Une corrélation a pu être effectuée
avec ces mêmes infrasons détectés par la station IS26 en Allemagne.
En première analyse, la localisation effectuée par croisement
d'azimuts ne concordait pas précisément avec la position de
l'Etna et fluctuait dans le temps. Une correction des effets
des vents de haute altitude a été nécessaire pour obtenir une
localisation correcte (Animation). Les mesures des infrasons
produits par les volcans pourraient trouver des applications
dans les régions où les volcans sont peu surveillés, les cendres
volcaniques étant dangereuses pour la navigation aérienne.
Annimation : Comparaison des localisations de l'Etna par croisement
d'azimuts sans et avec correction des vents (noir/rouge).
Cliquez ici pour lancer
l'animation
Séismes
Le 14 novembre 2001, un séisme de magnitude (Mm) 7.8 s'est produit
au nord de la Chine. La station IS34 de Mongolie, située à environ
2000 km de l'épicentre a enregistré pendant plus d'une heure
des signaux infrasons avec une variation d'azimut de 20 à 30°
(Fig. 4). Une analyse détaillée de la vitesse de passage des
premières ondes cohérentes détectées fait apparaître des valeurs
caractéristiques d'ondes sismiques. Un des mécanismes qui explique
ces grandes valeurs est le couplage avec l'atmosphère des ondes
de surface lors de leur propagation. Une heure après ces premières
arrivées, des ondes se propageant à des vitesses acoustiques
ont été détectées. L'interprétation de ces mesures a permis
de retrouver la distribution spatiale des zones de couplage
entre les déplacements verticaux du sol et l'atmosphère. Ces
enregistrements ont confirmé que les montagnes peuvent jouer
le rôle de sources acoustiques secondaires lorsqu'elles sont
mises en vibration juste après un séisme.
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Fig. 4 : Localisation
des sources secondaires d'émission des infrasons générés
par le séisme de Chine. |
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Infrasons
d'origine externe |
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La terre est également soumise à des perturbations
d'origine externe. Comme les météorites entrant dans l'atmosphère
et les éruptions solaires responsables des orages magnétiques
et des aurores boréales. Aurores boréales
Les aurores boréales produisent dans des régions de haute latitude,
des ondes infrasonores de périodes 0,1 à 100 s lors du mouvement
supersonique des arcs auroraux. Dans ce cas l'ovale auroral,
qui se situe généralement dans les régions de haute latitude
(~70°) s'étend à des latitudes plus basses de l'ordre de 45
à 50°. Même à moyenne latitude, la station infrasons de Flers
(Normandie) a déjà enregistré des signaux qui ont été corrélés
à des orages magnétiques majeurs. Météorites
Les météorites produisent des infrasons lorsqu'elles pénètrent
dans l'atmosphère et se désintègrent à des altitudes de l'ordre
de 50-100 km. Lors de la pénétration dans l'atmosphère, un corps
massif doté d'une vitesse bien supérieure à la vitesse du son,
libère instantanément une grande partie de son énergie cinétique
en provoquant la formation d'une boucle de choc dans le milieu.
Il subit alors une forte décélération avant d'être fragmenté
et d'éventuellement toucher le sol. La formation d'une onde
de choc associée à la pénétration dans l'atmosphère s'accompagne
de la génération d'infrasons dont la fréquence caractéristique
permet de remonter à la taille et à la vitesse de la météorite.
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La désintégration d'une météorite
le 29 décembre 2000 au-dessus de Tahiti (Polynésie Française)
a donné lieu à une rare détection sismo-acoustique par
le réseau instrumental permanent installé par le CEA en
Polynésie. L'événement, dont l'origine a été localisée
à une distance d'environ 50 km de la station infrasons,
a été analysé dans le but de retrouver certains paramètres
de la trajectoire de la météorite. Les calculs ont permis
d'estimer la taille du bolide (quelques mètres), et l'énergie
libérée lors de l'explosion (une centaine de tonnes d'équivalent TNT).
Lorsque le Système de surveillance international du Tice
sera pleinement opérationnel, on estime que la fréquence
minimale d'observation sera de 1 à 2 météorites de cette
taille par an et par station. |
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Le 23 avril 2001, les satellites
militaires américains ont détecté par infrarouge l'entrée
d'un bolide dans l'atmosphère au-dessus de l'Océan Pacifique.
Des ondes infrasonores ont été observées sur plusieurs
stations du réseau de contrôle du Tice ainsi qu'à la station
de Flers après plus de 10 000 km de propagation (Fig.
5). L'énergie totale de l'explosion
a été estimée à 1 kilotonne. Statistiquement, une ou deux
météorites produisant une énergie supérieure à 1 kilotonne
sont observées chaque année à l'échelle planétaire. Ces
mesures enrichissent la base de données des météorites
de la FIDAC (International Meteor Organization's Fireball
Data Center), maintenue jusqu'à présent en utilisant d'autres
systèmes d'observation. |
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Fig. 5 : Localisation
de la zone de désintégration de la météorite du 23 avril
par croisement d'azimuts. |
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Quelques
exemples d'infrasons produits par l'activité humaine |
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Les stations infrasons du Tice doivent
pouvoir être testées en permanence pour contrôler leurs performances.
Les infrasons d'origine artificielle comme les tirs de carrière
ou les avions supersoniques dont la source est connue sont utilisés
pour optimiser les méthodes de détection et comprendre les effets
de la propagation sur les signaux détectés. Avions
supersoniques
Les infrasons engendrés par les avions supersoniques présentent
une complexité qui les rapprochent de ceux engendrés par les
explosions nucléaires, bien que ces dernières constituent une
source puissante capable d'exciter des basses fréquences non
excitées par le passage d'un avion supersonique. Par exemple,
les signaux générés par le Concorde à l'approche des côtes européennes
étaient enregistrés régulièrement par plusieurs stations en
Europe, et en particulier sur la station de Flers. Les différentes
phases détectées correspondaient à des trajets différents dans
l'atmosphère (Fig. 6). Des modélisations par tracés de rayons
ont été utilisées pour identifier ces phases et expliquer les
paramètres mesurés.
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Fig. 6 : Traitement
par corrélation des ondes infrasonores générées par le
Concorde. Les valeurs de vitesses horizontales et d'azimut
sont codées sur des échelles de couleurs dans des diagrammes
temps-fréquence. Plusieurs arrivées successives sont observées
avec des vitesses horizontales croissantes. Les premières
phases [1-2-3] se sont réfléchies dans la stratosphère
(40-55 km). En raison des vents dominants qui soufflent
dans la direction de propagation, ces phases ne sont observées
qu'en hiver. La dernière phase [5], de fréquence plus
basse, s'est réfléchie dans la thermosphère (100-115 km). |
L'analyse et l'interprétation des signaux du Concorde sur une
période continue de deux ans, a permis de montrer l'apport de
la modélisation pour expliquer des déviations importantes de
l'azimut. Les variations des caractéristiques des signaux ont
été corrélées aux variations diurnes et saisonnières des vents
stratosphériques. A certaines périodes de l'année et heures
de la journée, ces déviations peuvent atteindre 5° par rapport
à l'axe initial de la propagation. Elles devront être corrigées
systématiquement afin de réduire les erreurs pour la localisation
de sources infrasonores. Ces mesures, confrontées à la modélisation,
sont nécessaires pour une identification de phases non ambiguë,
étape indispensable à la localisation des sources.
Tirs de carrière
Les explosions en surface comme les tirs de carrière ou tirs
d'artillerie sont également des sources intéressantes pour contrôler
l'efficacité de détection et de localisation, particulièrement
lorsque des mesures sismiques peuvent être associées. L'exploitation
des temps d'arrivée des ondes sismiques et infrasonores associées
à des modèles de vitesses appropriés, permet de localiser la
source. Une cartographie des principales activités minières
est alors établie jusqu'à des distances de plusieurs centaines
de kilomètres de la station (Fig. 8). Elle s'avère indispensable
pour la discrimination.
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Fig. 8 : Carte de
sismicité autour la station IS34 (Mongolie). Les localisations
des principales carrières par synergie sismique/infrason
sont indiquées par des points rouges. En bas : exemple
de signal infrason généré par un tir à une distance de
150 km de la station. |
L'essentiel de ces travaux s'effectue souvent en partenariat
avec d'autres organismes. En particulier, les codes de simulation
ont été développés en collaboration avec le Laboratoire Géosciences
Azur de l'Université de Nice Sophia-Antipolis, ainsi que l'Université
de Hawaii (Institut de Géophysique et de Planétologie). Le traitement
des données enregistrées sur les stations du réseau de contrôle
du Tice est réalisé en liaison avec les organismes responsables
de ces stations (Research Center of Astronomy and Geophysics
pour la Mongolie, l'Observatoire San Calixto pour la Bolivie,
l'Institut et Observatoire de Géophysique d'Antananarivo pour
Madagascar, l'Observatoire de Lamto pour la Côte d'Ivoire et
le laboratoire de Pamatai (CEA) pour la station de Polynésie).
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