>>> Pozzo di Borgo Elisabeth

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Structure(s) de rattachement

Rattachement(s) externe(s)

UMS 3538 UNS/UAPV/CNRS Laboratoire Souterrain à Bas Bruit (LSBB), Rustrel Pays d'Apt

Disciplines enseignées

Licence Physique/Chimie

- Optique géométrique L1S2 (UE commune au parcours Maths-Physique)

Lois de Snell-Descartes - Etude d'éléments simples dans les conditions de Gauss (dioptres, lentilles minces, miroirs...) - Etude de système optique simple (oeil, loupe, microscope, lunette astronomique...)

- Travaux pratiques de Physique L2S3

1- Lois de la réfraction, mesure d'indice, méthodes de caractérisation des lentilles, système épais, microscope

2- mise en évidence de lois fondamentales dans divers domaines : magnétostatique, électricité...

- Electrostatique L2S3

Champ et potentiel crées par des distribution de charges, théorème de Gauss, équations locales de l'électrostatique

- Magnétostatique L2S3

Champ créé par des distributions de courants, loi de Biot et Savart, Théorème d'Ampère, équations locales de la magnétostatique

Licence Sciences de la Vie et de la Terre

- Les différentes formes d'énergie et leurs échanges L1S2

Lois de conservation de l'énergie, analogie énergie, travail, chaleur : application 'travail, chaleur et métabolisme'
Transferts thermiques stationnaires par conduction, convection et rayonnement  Applications : bilan radiatif de la terre, d'un corps ou d'un végétal dans son environnement

Thème(s) de recherche

Ma thématique de recherche concerne essentiellement l’étude de phénomènes magnétiques corrélés à des évènements naturels (séismes, orages atmosphériques et magnétiques…) modifiant l’environnement proche de la Terre. Compte tenu de mon rattachement récent au sein d’EMMAH, mes activités en lien avec les axes de recherche de cet UMR sont en phase de développement. Elles procèdent de l’établissement d’une corrélation entre les signaux magnétiques locaux et la présence d’eau dans le massif dans lequel est positionné le magnétomètre utilisé pour ces études. L’objectif ultime est l’obtention, pour les milieux hétérogènes complexes, de fonctions de transferts des paramètres géophysiques, tels que les fluctuations du champ magnétique, corrélées à des variables hydrogéologiques, telles que des perturbations hydrodynamiques et hydrochimiques (point B-1).

Mes travaux s’articulent autour de l’analyse des variations du champ magnétique terrestre enregistrées par le système [SQUID]², moyen expérimental permanent du Laboratoire Souterrain à Bas Bruit (LSBB). Il s’agit d’un magnétomètre 3 axes à base de dispositifs quantiques supraconducteurs à basse température critique (SQUID). La conception de l’enceinte blindée qui l’abrite et sa localisation sous plus de 500 mètres de roche karstifiée offrent des conditions de blindage sans égal qui permettent au système de détecter toute perturbation externe de fréquence inférieure à 40 Hz sans être saturé. Du fait de l'écrantage du bruit extérieur, le niveau de bruit résiduel se situe autour de 2 fT/ÖHz, soit 100 fois moins que l’activité magnétique cérébrale humaine en phase de sommeil. Tout phénomène magnétique se produisant à l’intérieur de la capsule blindée peut ainsi être détecté si son intensité est supérieure à quelques femtoteslas.

L’analyse des données permet d’observer différents phénomènes naturels à l’échelle locale ou globale, à commencer par la variation circadienne du champ magnétique, dont certains ont été détectés et identifiés pour la première fois par voie magnétique. Les thèmes de recherches s’organisent en trois catégories :

A-Validation de l’observation locale

B-Perturbations en lien avec des séismes

• ·       Couplage magnéto-hydro-sismique, réponse locale synchronisée avec l’arrivée d’ondes sismiques liée à la présence d’eau dans le massif.

• ·       Couplage terre/ionosphère

• o   détection des modes propres de la Terre, vibrations stationnaire issu de la superposition d’ondes sismiques se propageant à la surface de la Terre

• o   mise en évidence des ondes P de séismes de faible amplitude par leur réponse ionosphérique

• o   manifestations électromagnétiques pouvant précéder un fort séisme

C-Phénomènes d’origine atmosphérique ou spatiale

• ·       détection des sylphes ou sprites (famille des TLE Transient Luminous Events).

• ·       observation des orages magnétiques.

A) Validation des mesures de [SQUID]² par rapport à celles d'Observatoires magnétiques

Une collaboration avec l’université d’Oxford a permis d’établir que les fluctuations mesurées dans l’enceinte blindée pouvaient être reconstituées par une interpolation linéaire des données fournies par trois observatoires magnétiques et disposés en triangle autour du LSBB et appartenant au réseau global d'observatoires magnétiques nationaux Intermagnet. Ce résultat est important car il renforce la validité de l’observation locale et permet en outre de contrôler le niveau de bruit du laboratoire par rapport aux autres expériences s’y déroulant. Cette coopération se poursuit par l’établissement d’un Memory Of Understanding avec le département de Physique de l’Université d’Oxford afin de tester les performances nouveaux types de SQUID’s. L’Université de Savoie est également parti prenante avec le développement de SQUID’s numériques offrant une grande dynamique sur de larges plages de mesure tout en conservant une sensibilité élevée.

Collaboration : Sam Henry (Université d’Oxford) ; Pascal Febvre (IMEP-LAHC CNRS UMR5130 Université de Savoie) ; UMS 3538 LSBB-UNS/UAPV/CNRS labellisé Site instrumenté Terre Interne INSU.

B) Perturbations locales et globales en lien avec des séismes

1)    Mise en évidence, à l’échelle locale, de la réponse hydromagnétique du massif sous l’effet d'ondes sismiques

Le LSBB bénéficie d’une surveillance permanente du site sur le plan magnétique, sismique et hydrogéologique. La coïncidence de ces 3 thématiques a déjà permis d’identifier le couplage dit magnéto-hydro-sismique. Les forts tremblements de terre sont capables d’engendrer des déplacements de l’ordre du millimètre à 10000 km de distance. La sensibilité de [SQUID]² permet d’observer, après filtrage des signaux dans la bande sismique, une variation du champ magnétique local synchrone au passage des ondes et consécutive à ce déplacement. Cette variation a été attribuée à un couplage électrocinétique généré dans les eaux d’infiltration du massif karstique entourant le LSBB. Les observations de ces trois dernières années ont montré que l’intensité du couplage dépend directement de la magnitude du séisme ainsi que de son azimut, ce qui reflète l’anisotropie du massif et notamment sa fracturation. Par ailleurs, la minéralisation de l’eau augmentant avec son temps de résidence dans le massif, en période de sècheresse, l’épaisseur de la double couche électrique où siège l’effet électrocinétique diminue, de même que ce couplage. Enfin, des variations préférentielles et récurrentes de la conductivité, de la température ainsi que des débits des écoulements suivis au LSBB ont été relevées après un téléséisme important. Les caractéristiques de la réponse magnétique dépendent étroitement de la structure du massif karstique et de son état d’hydratation et sont autant de marqueurs à exploiter. Deux approches complémentaires sont envisagées dans le cadre du projet d’EMMAH : une étude statistique pour caractériser les intercorrélations des données hydrogéologiques et magnétiques et une étude expérimentale multi-échelle centrée sur l’évaluation des perturbations du champ magnétique causées par des écoulements contrôlés dans divers milieux connus. Cette étude permettrait de progresser d’une part dans le développement méthodologique de l’hydro-magnéto-géophysique et d’autre part dans la caractérisation du milieu karstique entourant le LSBB.

Collaboration Delphine Blanke & Edith Gabriel, Laboratoire d’Analyse Non Linéaire et Géométrie Avignon ; Géosciences Azur ; UMS 3538 LSBB-UNS/UAPV/CNRS labellisé Site instrumenté Terre Interne INSU.

2)    Mise en évidence, à l’échelle globale, des couplages Terre-ionosphère relatifs aux séismes

Le filtrage des signaux magnétiques fait apparaître des trains d’oscillations amorties, en dehors de toute perturbation sismique locale susceptible d’engendrer l’effet hydromagnétique. Ces ondes, dont la période se situe entre 60 et 80 secondes, ont pu être associées à des séismes de magnitude M>3 ayant lieu dans le monde entier (pour 80% des événements ayant lieu lors d’une journée). Les amplitudes de variation des composantes EW et NS, 10 fois plus importantes que sur la composante Z, suggèrent une excitation orientée selon la verticale. Selon l’hypothèse d’un couplage Terre solide/atmosphère, les ondes sismiques interagissent avec l’ionosphère à travers un couplage acoustique dans l’atmosphère. La propagation de ces oscillations dans l’ionosphère induit des modifications de la densité de particules avec, pour réponse immédiate, une perturbation magnétique. Cette réponse est enregistrée par [SQUID]² 300 secondes après l’émergence des ondes P au droit de l’épicentre. Il n'y a pas d'effet jour-nuit, les 300 secondes restant invariables pour tous les séismes étudiés pris au hasard en plus de ceux publiés. La même réponse est enregistrée une deuxième fois pour le même séisme au LSBB, si le site se situe hors du cône d'ombre. Ces 300 secondes correspondent au temps de montée de l’onde acoustique à 90 km, hauteur associée à l’altitude de la mésopause.

Cette résonance de la mésopause peut être également excitée par un champ électrique comme ce fût le cas avant le séisme du Sichuan (magnitude 8.1), le 12 mai 2008. Pendant l’heure précédant ce séisme, une émission ininterrompue de bouffées semblables aux précédentes a été observée. Le début du régime oscillant ne correspond à aucun déclenchement de séisme et dans cette période, il n’y a sur Terre que 2 séismes de magnitude supérieure à 3. L’analyse des signaux bruts dans ce même laps de temps montre des variations brusques du niveau de fluctuations à trois reprises, 1heure, ½ heure et 10 minutes avant la survenue du séisme. Chacun de ces sauts coïncide avec l'apparition de nuages colorés comme des arcs en ciel visibles sur des vidéos amateurs et prises à plusieurs centaines de kilomètres du futur épicentre. Ce régime d’oscillations, plus important sur les composantes horizontales du champ, cesse 300 secondes après le séisme, soit à l'arrivée de l'onde P du séisme à la mésopause. Ce signal précurseur et ces sauts sont dus à des déplacements de charges verticaux engendrés par des champs électriques. Un dépouillement grossier de l'azimut du signal fournit une direction parallèle à la faille responsable du séisme, longue de plusieurs centaines de km, ce qui explique le fait que les nuages colorés soient visibles à grande distance.

Les 90 km de hauteur correspondent au fond du puits thermique que constitue la mésopause. Les oscillations associées sont donc un mode propre de résonance de ce canal thermique mis en évidence par les marqueurs que sont les électrons qui s'y trouvent. L'onde P agit comme une impulsion de Dirac, puisque sa fréquence est bien plus élevée, l'apparition de champs électriques autour de la faille de Sichuan également. A l'heure actuelle aucun modèle ne rend compte de cette réponse non-linéaire, mais son amortissement est sans doute dû aux interactions électrostatiques avec les couches ioniques plus élevées dont les périodes de résonance se situent vers 220 et 270 secondes.

Collaboration Géosciences Azur ; UMS 3538 LSBB-UNS/UAPV/CNRS labellisé Site instrumenté Terre Interne INSU.

3)    Étude des réponses linéaires de l'ionosphère aux modes de respiration de la Terre et identification des modes d’oscillations propres de la Terre

L'interaction entre l'atmosphère, les océans (les couches fluides) et les continents (la terre solide) fait vibrer la Terre en permanence par le phénomène d’interférences constructives des ondes sismiques de surface. Ces interférences induisent des dilatations/compression (modes sphéroïdaux) ou des torsions (modes toroïdaux) du globe terrestre. Des observations sismologiques ont permis de détecter les modes sphéroïdaux, même en l'absence de séismes. Les périodes de ces modes de respiration de la Terre sont comprises entre 300 et 3000 secondes, donc supérieures à la fréquence de résonance de la mésopause et à celles des couches ionosphériques. Une approche analogue à celle utilisée pour établir le modèle théorique du bruit minimum sismique mondial (NLNM) a permis de déterminer expérimentalement le bruit de fond magnétique de l’ionosphère. Des critères de jours magnétiquement calmes ont été définis : magnétogramme régulier, pas de séisme majeur, pas d'alerte spatiale, pas d'orages locaux. Une séquence de 3 jours consécutifs durant le mois de Nov. 2007 a été retenue (ce choix permettant en outre de s’affranchir des variations annuelles du champ magnétique et d’intégrer les variations circadiennes). Les spectres obtenus par Transformées de Fourier rendent compte d’une activité magnétique importante dans la gamme de fréquence 1 mHz‑10 mHz largement au-dessus d'une dépendance en 1/f. Dans la bande 0,3‑2 mHz, les fréquences de 50 modes propres de la Terre, tant sphéroïdaux que toroïdaux, ont été ainsi identifiés avec un écart inférieur à 1% par comparaison avec le modèle théorique (PREM). Les modes toroïdaux n’avaient jusqu'alors été observés qu'à la suite de tremblements de Terre très intenses, tels celui de Sumatra le 26 décembre 2004. Par ailleurs, une collaboration récente avec l'Université de Vancouver a permis d’entreprendre l’examen des fluctuations temporelles de ces modes. Des résultats préliminaires, obtenus à l’aide de la technique de la transformée en ondelettes de Stockwell, mettent en évidence que l’amplitude des pics associés aux modes propres suit une dynamique temporelle, différente sur les 3 composantes. Cette détection originale par voie magnétique est un outil complémentaire pour valider les modèles théoriques des modes propres et l’étude de la dynamique de ces modes contribuera à la compréhension des couplages Terre-ionosphère.

Collaboration J. Marfaing IM2NP, Marseille, M. Yedlin, Université of Bristish Columbia, Vancouver, Canada, UMS 3538 LSBB-UNS/UAPV/CNRS labellisé Site instrumenté Terre Interne INSU.

C- Phénomènes d’origine atmosphérique ou spatiale

1)    Étude des orages magnétiques et des signaux précurseurs, développement d’un système d’alerte

Les perturbations liées aux modifications soudaines du vent solaire produisent des changements notables de l’environnement magnétique dans l’ionosphère et peuvent être aussi explorés à l’aide de [SQUID]² qui détecte la réponse globale du champ magnétique terrestre à ces évènements. Lors de l’orage magnétique en décembre 2006, la sensibilité du système [SQUID]² s’est révélée au moins égale à celle des stations magnétométriques conventionnelles scandinaves du réseau IMAGE les plus proches du pôle. Le commencement soudain de l'orage, où le vent solaire vient comprimer la magnétosphère est ainsi parfaitement décrit. Ce résultat a été confirmé depuis sur un autre orage. Il est tout à fait envisageable, avec un système [SQUID]², d'avoir un élément d'alerte sous nos latitudes, pourvu qu'il soit en liaison par fibre optique avec un centre de décision concerné. L’approche du maximum d’activité solaire en 2012 ne manquera pas de relancer l'activité dans ce domaine.

Collaboration J. Marfaing IM2NP, Marseille, Pascal Febvre (IMEP-LAHC CNRS UMR5130 Université de Savoie) ; dépôt d’un projet européen MARMOTS (Monitoring space and Earth hazards with advanced magnetometers) ; UMS 3538 LSBB-UNS/UAPV/CNRS labellisé Site instrumenté Terre Interne INSU.

2)    Étude des phénomènes transitoires lumineux ou TLE (Transient Luminous Effects)

Les TLE sont phénomènes lumineux se produisant au-dessus de certains orages et pouvant s’étendre jusqu’à la base de l’ionosphère pour les plus intenses. On compte parmi eux, les sylphes, produits quelques millisecondes après un éclair nuage-sol, en fin de vie d’orage lorsque les éclairs sont moins fréquents, mais pas moins puissants. Grâce à une caméra très sensible située au Pic du Midi, des sylphes gigantesques (70 km de haut, 80 km de large, pics de courant d’une centaine de kiloampères) ont été observés lors d’un orage sur le Golfe du Lion en septembre 2009. Au cours de cette même période, une dizaine de pulses unipolaires (entre 0.5 et 2 nT) ont pu être identifiés sur les magnétogrammes enregistrés au LSBB soit à 150 km de distance. Certains coïncident au dixième de seconde avec les observations des sylphes par la caméra ultra sensible. Les pulses ont une traînée de plus d'une seconde et leur étude peut fournir des renseignements sur le retour à l'équilibre après le déclenchement des sylphes.

Collaboration Serge Soula Observatoire Midi-Pyrénées- Université Paul Sabatier- Laboratoire d’Aérologie ; UMS 3538 LSBB-UNS/UAPV/CNRS labellisé Site instrumenté Terre Interne INSU

Publications

ACL

Marfaing J., Bois J.J., Blancon R., Pozzo di Borgo E., Waysand G., Gaffet S., Auguste M., Boyer D., Cavaillou A., About the world-wide magnetic-background noise in the millihertz frequency range, European Physics Letter, 88, 19002 doi :10.1209/0295-5075/88/19002 (2009)

ACT

Waysand G., Marfaing J., Bois J.-J., Pozzo Di Borgo E., Blancon R.,Gaffet S.,Pyée M.,Yedlin M., Barroy P., Auguste M.,  Boyer D. et Cavaillou A., Couplages Terre-Ionosphère, Orages magnétiques, Précurseurs et TLE : Bilan et Perspectives des observations du système [SQUID]² au Laboratoire Souterrain Bas Bruit de Rustrel, URSI, Journées Scientifiques 2010 :"Propagation et Plasmas, Nouveaux Enjeux, Nouvelles Applications", Paris (France), (2010).

Waysand G., Barroy P.R.J., Blancon R., Gaffet S., Guilpin C., Marfaing J., Pozzo di Borgo E., Pyée M., Auguste M., Boyer D., Cavaillou A. Seismo-Ionosphere Detection by Underground SQUID in Low-Noise Environment in LSBB - Rustrel, France - European Physics Journal of Applied Physics 47-1, 12705, DOI : 10.1051/epjap:2008186 (2009).

Pozzo di Borgo E., Bordes C., Gaffet S., Auguste M., Boyer D., Cavaillou A., The Low Noise Underground Laboratory, a unique environment for very weak electromagnetic measurements – EGU, Geophysical Research Abstracts, Vol. 8, 29-1-2006, SRef-ID: 1607-7962/gra/EGU06-A-04577, (2006).

Barroy P.R.J. ,Pozzo di Borgo E., Blancon R., Waysand G., Ionosphere-Earth resonances detected by Superconducting Quantum Interference Device magnetometers at deep-buried underground LSBB laboratory, EUROPHYSICS CONFERENCE ABSTRACTS ECA, vol 30; part G, pages 79-80, (2006).

COM

Pozzo di Borgo E., Marfaing J., Bois J ;J., Blancon R., Waysand G., Gaffet S., Cavaillou A., The magnetic coupling of Earth-Ionosphere below 2m Hz, 2010 iDUST Inter Disciplinary Underground Science And Technology Conference, , 9-11 juin 2010, Apt (France), (2010).

Andrieux V., Clarke C., Henry S., Kraus H., Lynch A., Mikhailik V., McCann M., Febvre P., Gaffet S., Pozzo di Borgo E., Sudre C., Waysand G., Boyer D., Cavaillou A., Auguste M., Characterisation of magnetic field fluctuations at different locations within the laboratoire souterrain à bas bruit, 2010 iDUST Inter Disciplinary Underground Science And Technology Conference, , 9-11 juin 2010, Apt (France), (2010).

Waysand G., Pozzo Di Borgo E., Soula S., Pyée M., Marfaing J., Bois J.-J., Yedlin M., Blancon R.,Gaffet S., Barroy P., Auguste M.,  Boyer D. et Cavaillou A., Azimuthal analysis in [squid]2 system for mesopause and sprites excitations, 2010 iDUST Inter Disciplinary Underground Science And Technology Conference, , 9-11 juin 2010, Apt (France), (2010).

Marfaing J., Pozzo di Borgo E.,Yedlin M., Bois J.-J., Fraser J., Waysand G., Gaffet S., Blancon R., Cavaillou A., Temporal and spatial variations of discrete magnetospheric oscillations detected below 1mhz, 2010 iDUST Inter Disciplinary Underground Science And Technology Conference, , 9-11 juin 2010, Apt (France), (2010).

Pozzo di Borgo E., Marfaing J., Bois J ;J., Blancon R., Waysand G., Gaffet S., Auguste M., Boyer D., Cavaillou A., Ionosphere magnetic noise determination by [SQUID]² underground ultra low noise magnetometer in the millihertz range, EUROFLUX2009 International conference, 21-23 sept., Avignon, France (2009).

Waysand G., Barroy P.R.J., Blancon R., Bois J.J., Gaffet S., Marfaing J., Pozzo di Borgo E., Pyée M., Auguste M., Boyer D., Cavaillou A. ULF Magnetic Ionosphere Precursor Sichuan Earthquake Detected by [SQUID]² System in LSBB - Rustrel (France) - AGU Fall meeting, S12 - 15-19 december 2008 - San Francisco (2008).

Waysand G., Barroy P.R.J., Blancon, Gaffet S., Marfaing J., Pozzo di Borgo E., Auguste M., Boyer D., Cavaillou A. (2008) A new tool for earth and space magnetism : the ultra low noise underground SQUID system of LSBB - Caen University from 30 June - 2 July 2008, (2008).

Waysand G., Barroy P.R.J, Blancon R., Gaffet S., Guilpin C., Marfaing J., Pozzo di Borgo E., Pyee M., Permanent Observation of Ionospheric and Magnetospheric Effects by the Underground Ultra Low-Noise SQUID Magnetometric system of LSBB-Rustrel : Preliminary Results - URSI 2007 CNC/USNC - North American Radio Science Meeting - July 22nd - 26th, 2007 - Fairmont Château Laurier, Ottawa, ON, Canada (2007).

Barroy P.R.J., Waysand G., Marfaing J., Bois J.J., Blancon R., Gaffet S., Parrot M.,Pyée M., Pozzo di Borgo E. (2007) Ionospheric Effects as Monitored by the Underground Low-Noise SQUID Magnetometric system of LSBB-Rustrel : the particular case of the impact of the major Solar quakes of mid-Decembre 2006 - SUPRA 2007, Palaiseau, (2007).