Thèse de doctorat Docteur de l’Université de Paris-Sud XI

Thèse de doctorat
présentée pour obtenir le grade de
Docteur de l’Université de Paris-Sud XI
École Doctorale Astronomie et Astrophysique d’Ile de France
Spécialité Physique
préparée à l’Institut d’Astrophysique Spatiale (Orsay)
Modélisation du transfert radiatif dans
l’atmosphère martienne pour la détermination des
propriétés spectrales de surface et la
caractérisation des aérosols martiens à partir des
données OMEGA
par
Mathieu Vincendon
Thèse soutenue le 24 octobre 2008 devant le jury composé de :
M. Abergel Alain Professeur, IAS Président du jury
M. Drossart Pierre Directeur de Recherche, LESIA Rapporteur
M. Langevin Yves Directeur de Recherche, IAS Directeur de thèse
M. Mustard John Professor, Brown University Examinateur
M. Schmitt Bernard Directeur de Recherche, LPG Examinateur
M. Wolff Michael Senior Research Scientist, SSI Rapporteur
tel-00341252, version 1 - 24 Nov 2008

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Résumé
L’atmosphère de Mars contient en permanence des poussières micrométriques en suspension
dont la quantité varie dans le temps et dans l’espace. Ces aérosols sont l’un des éléments clés
du cycle climatologique de la planète, car ils modifient l’équilibre radiatif de l’atmosphère. La
poussière atmosphérique diffuse le rayonnement solaire visible et proche infrarouge qui
illumine la planète Mars. En janvier 2004, l’imageur spectral OMEGA a commencé à
observer Mars dans ces domaines de longueur d’onde. L’analyse des observations réalisées
par OMEGA a rapidement abouti à l’identification de nouveaux minéraux à la surface de
Mars. Ces découvertes ont profondément modifié nos conceptions sur l’histoire passée de la
planète. Ce travail de thèse est basé sur le développement d’un modèle de transfert radiatif de
type Monte-Carlo. Ce modèle permet de séparer dans les données OMEGA la contribution
des aérosols de celle de la surface. Il est utilisé pour étudier les propriétés optiques et
physiques des aérosols et obtenir une meilleure compréhension des caractéristiques de la
surface. Les premières applications concernent les régions polaires de Mars, pour lesquelles la
contribution des aérosols est très importante compte tenu des parcours optiques élevés. Les
données OMEGA sont utilisées pour caractériser les interactions saisonnières entre la
poussière atmosphérique et la glace en surface, qui restaient encore mal comprises. Une
méthode de cartographie de la profondeur optique de poussière est présentée au dessus des
régions polaires sud recouvertes de glace de CO
2
. L’utilisation du modèle est ensuite étendue
aux régions plus proches de l’équateur. Nous démontrons que la poussière soulevée lors de
tempêtes dans ces régions ne se redépose pas de manière uniforme sur toute la planète, et
nous présentons les premières applications concernant l’étude quantitative de la minéralogie
de surface à partir des données OMEGA puis CRISM/MRO. Cette expérience,
complémentaire d’OMEGA par ses observations à très haute résolution, a obtenu ses
premières données depuis l’orbite martienne en novembre 2006.
Mots clés : Planétologie, Mars, Atmosphère, Climat, Aérosols, Poussière, Nuage, Surface,
Albédo, Glace, Pôle, Modélisation, Transfert Radiatif, Monte Carlo, Diffusion, Télédétection,
Spectroscopie, Infrarouge, OMEGA, Mars Express, CRISM, Mars Reconnaissance Orbiter.
tel-00341252, version 1 - 24 Nov 2008

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Abstract
Micrometric dust particles are always present in the martian atmosphere. This aerosol loading
varies with time and location. Aerosols have a major impact on the martian climate as they
modify the radiative equilibrium of the atmosphere. Suspended dust particles scatter incoming
solar photons in the visible and near infrared wavelengths. The imaging spectrometer
OMEGA has observed Mars in this wavelength range since January 2004. The analysis of
OMEGA observations rapidly led to the identification of new minerals at the surface of Mars.
These discoveries have changed our view of the martian history. This work focuses on the
development of a radiative transfer model based on Monte-Carlo methods. The model makes
it possible to separate the contribution of aerosols from that of the surface. It is used to study
the optical and physical properties of dust aerosols and refine our comprehension of the
surface. The first applications are dedicated to polar regions where the contribution of
aerosols is large due to the long optical paths. Seasonal interactions between dust and surface
ice, which were poorly understood, are investigated using OMEGA data. A method for
mapping the optical depth of aerosols is developed for regions covered by CO
2
ice at southern
latitudes. We then extend our analysis to equatorial and mid-latitude regions. We demonstrate
that dust raised during storms in these regions does not settle uniformly on the ground. We
present the first applications of our model for improving the quantitative assessment of
surface mineralogy from OMEGA data first, then from the CRISM experiment on-board
MRO. CRISM, which started operating in November 2006, is complementary to OMEGA
with its observations at a higher resolution.
Key Words : Planetary Science, Mars, Atmosphere, Climate, Aerosols, Dust, Cloud, Surface,
Albedo, Ice, Pole, Model, Radiative Transfer, Monte Carlo, Scattering, Remote Sensing,
Spectroscopy, Infrared, OMEGA, Mars Express, CRISM, Mars Reconnaissance Orbiter.
tel-00341252, version 1 - 24 Nov 2008

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Remerciements
Yves reçoit tous mes remerciements pour avoir dirigé avec créativité et pédagogie les travaux
de recherche présentés dans ce document. Mes remerciements vont également à Jean-Pierre
qui m’a accepté dans son équipe et permis de participer à l’aventure OMEGA. Cette thèse a
été réalisée à l’Institut d’Astrophysique Spatiale dans d’excellentes conditions. Je souhaite
remercier tout particulièrement les membres de mon équipe, notamment Brigitte, François,
Alice, Michel et Sylvie, ainsi que toutes les personnes avec qui j’ai eu la chance d’interagir à
l’IAS : Hervé, Marc, Nabila, Pascal, Frédéric R., ... Je tiens également à remercier les équipes
administratives et informatiques pour leur aide tout au long de ces trois années. Un grand
merci enfin à Nathalie, Denis, Benjamin S., Sophie, Faustine, Nicolas B., Vaitua, Pierre de
M., Antoine, Pavel, Manuel, Damien, John, Vincent L., Paul, Bruno et à tous les autres
doctorants, stagiaires et CDD de ce laboratoire avec qui j’ai passé ces trois années. Ce travail
de thèse a bénéficié des conseils de plusieurs chercheurs extérieurs au laboratoire que je
voudrais remercier ici : François Forget, Michael Wolff, John Mustard, Sylvain Douté,
Thierry Fouchet, Patrick Pinet, Antoine Pommerol, Aymeric Spiga et Stéphane Le Mouélic.
Je remercie également Pierre Drossart, Bernard Schmitt et Alain Abergel pour avoir accepté
de participer à mon jury de thèse, ainsi que Frank Montmessin pour sa participation en tant
que membre invité. Un très grand merci enfin à Énora, Patricia, Marcel et Mélanie pour leur
soutien.
tel-00341252, version 1 - 24 Nov 2008