Topic description
Les rentrées atmosphériques de météores constituent des sources sporadiques de lumière et d'ondes de choc, offrant une opportunité unique d'étudier différents processus physiques. Premièrement, l'observation du phénomène optique et l'enregistrement des signaux infrasonores permettent d'estimer la masse et la résistance des météoroïdes avant leur entrée dans l'atmosphère, fournissant ainsi des statistiques sur les astéroïdes de faible masse, encore peu étudiés par les missions spatiales. Ensuite, l'étude de leur dynamique lors de la rentrée atmosphérique permet de mieux comprendre non seulement le comportement des objets naturels, mais aussi la manière dont les débris spatiaux réintègrent l'atmosphère. Enfin, ces sources de lumière et d'infrason peuvent être localisées avec précision dans le temps et l'espace, permettant ainsi de déduire la structure de l'atmosphère grâce aux propriétés de propagation des ondes qu'elles produisent.
L'instrument BIS (Balloon Infrasound Sensor) embarqué à bord de la prochaine campagne Stratéole-2 enregistrera les variations de pression à une fréquence de 20 échantillons par seconde (sps). Ce capteur couvrira ainsi la gamme de fréquences de 0 à 10 Hz. Ces enregistrements à haute fréquence permettront de « percevoir » de nouveaux phénomènes dans la gamme 1-10 Hz, tels que les signaux infrasonores générés par les entrées de météores et le tonnerre. De plus, ce capteur sera déployé sur trois ballons différents dans la nacelle ZEPHYR, et ces enregistrements seront combinés à ceux des capteurs TSEN, enregistrant à 1 Hz, à bord de la nacelle EUROS. L'enregistrement simultané des mêmes signaux infrasonores par différents instruments ouvre la voie à la localisation et à la caractérisation des sources infrasonores. Combiné aux détections d'entrées de météores depuis des stations au sol ou spatiales, ou aux détections de foudre par radars météorologiques, ces enregistrements ont le potentiel d'étudier les vents stratosphériques et mésosphériques, actuellement mal contraints par les données disponibles.
L'objectif de ce projet de doctorat est de démontrer la possibilité de reconstituer les vents de la haute atmosphère à partir des signaux infrasonores générés par les entrées de météores et enregistrés par les ballons. Pour ce faire, l'étudiant(e) réalisera les tâches suivantes. Dans un premier temps, le pipeline de traitement des données des capteurs BIS et TSEN sera défini et mis en œuvre afin de constituer une base de données de signaux potentiellement intéressants. Dans un second temps, il s'agira de calculer la sensibilité des observations infrasonores, notamment leur temps de propagation, aux variables atmosphériques telles que le vent et la température. Dans un troisième temps, un modèle de source infrasonore (au moins en 2D et 2,5D) pour les rentrées atmosphériques des météores, compatible avec les outils de simulation disponibles, sera développé.
Enfin, l'étudiant combinera l'ensemble de ces développements pour traiter les données BIS et TSEN et démontrer la possibilité de reconstituer les vents de la haute atmosphère à partir des données de la nouvelle campagne Stratéole-2. Un second objectif sera de reconstituer les propriétés des rentrées atmosphériques des météores à partir de ces enregistrements.
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Meteor entries through Earth's atmosphere are sporadic sources of light and shock waves that offer a unique opportunity to study different physical processes. Firstly, observing the optical phenomenon, and recording the infrasound signals can provide estimates of meteoroid masses and strength before their atmosphere entry, thus providing statistics on asteroid objects of small masses that are poorly studied by space missions. Then, their dynamics during entry can be studied to better understand not only how natural objects behave, but also how space debris will re-enter the atmosphere. Last but not least, these sources of light and infrasound can be precisely located in time and space and thus can be used to infer the atmosphere structure through the propagation properties of the waves they produced.
The Balloon Infrasound Sensor (BIS) instrument on board the next Stratéole-2 campaign will record pressure variations at 20 samples per seconds (sps). This sensor will thus cover the 0-10 Hz frequency range of pressure variations. These high frequency records will allow to 'hear' new phenomena in the 1-10 Hz range such as infrasound signals generated by meteor entries and thunder. In addition, this sensor will be deployed on three different balloons in ZEPHYR gondola, and these records will be combined with the ones of TSEN sensors, but recording at 1 sps, on board EUROS gondola. The simultaneous recordings of the same infrasound signals on different instruments are opening a way to locate and characterize infrasound sources. When combined with meteor entry detections from ground or space base assets, or with lightning detections by weather radars, these records have the potential to probe winds at stratosphere and mesosphere levels which are poorly constrained by current data sets.
The objective of the PhD project is to demonstrate the recovery of upper atmosphere winds from infrasound signals generated by meteor entries and recorded on balloon data. To do so, the student will implement the following tasks.
First the data processing pipeline of BIS and TSEN sensors will be defined and implemented in order to produce a database of potentially interesting signals.
A second task will be to produce sensitivity kernels of infrasound observations, in particular their travel time, to atmospheric variables such as wind and temperature.
A third task will be to develop an infrasound source model (at least in 2D and 2.5D) for the meteor entries compatible with the simulation tools available.
Eventually, the student will combine all these developments to process BIS and TSEN data in order to demonstrate the recovery of upper atmosphere winds from the data of the new stratéole-2 campaign. A second objective will be to recover the meteor entry properties from these records.
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Début de la thèse : 01/10/
Funding category
Public funding alone (i.e. government, region, European, international organization research grant)
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