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11/12/2015 - ANDRIEU François

Caractérisation des surfaces glacées de Mars par imagerie hyperspectrale : inversion du transfert radiatif

  • Directeurs : Eric Chassefière & Frédéric Schmidt
  • Financement : ENS CACHAN.
  • Début de thèse : octobre 2012

Thèse soutenue le 11 décembre 2015, à 14h, à Orsay (Université Paris Sud, Bâtiment 510), devant le jury composé de :

- M. Emmanuel Lellouch, Astronome, Observatoire de Paris LESIA/CNRS, Rapporteur
- Mme Cécile Ferrari, Professeure, Université Paris Diderot-Paris 7, Rapporteur
- M. Yves Langevin, Directeur de recherche, CNRS, Examinateur
- M. Xavier Briottet, Professeur, ONERA-DOTA/ISAE, Examinateur
- M. Éric Chassefière, Directeur de recherche, CNRS, Examinateur
- M. Karri Muinonen, Professeur, University of Helsinky, Examinateur
- M. Frédéric Schmidt, Maître de conférences, Université Paris-Sud, Directeur de thèse
- M. Bernard Schmitt, Directeur de recherche, CNRS, Invité
- M. Sylvain Douté, Chargé de recherche, CNRS, Invité

Mots-clés : Mars,Transfert Radiatif,Télédétection,Glace de CO2,Glace d’eau,Inversion massive

Résumé : La planète Mars est le siège d’un climat complexe, caractérisé par des cycles du dioxyde de carbone et de l’eau, ainsi qu’un transport de poussière à toutes les échelles. Ces cycles se manifestent par la condensation saisonnière aux pôles de dépôts de glace de CO2 et d’eau pendant la nuit polaire, et leur sublimation pendant le printemps local. Les cycles du CO2, de l’eau et des poussières sur Mars sont intimement liés. Un processus saisonnier actif illustre bien ces liens : les jets de gaz froid, déclenchés par la sublimation saisonnière des dépôts de CO2, pouvant mettre en suspension des poussières du régolite de manière durable dans l’atmosphère, et dont l’activité semble être modulée par les échanges d’eau à la surface. L’objectif de cette thèse est de permettre l’utilisation des données d’imagerie hyperspectrale disponibles au maximum de leur potentiel, pour apporter de nouvelles contraintes sur les échanges saisonniers entre surface et atmosphère et sur les interactions entre les différents cycles (CO2, eau, poussières), en se focalisant sur les jets de gaz froid. Pour cela, un modèle semi-analytique de transfert radiatif dans les glaces compactes, ainsi qu’une méthode efficace d’inversion ont été développés et validés. Le modèle de transfert radiatif permet de décrire l’interaction de la lumière avec une couche de glace de manière quantitative d’après les paramètres suivants : épaisseur de la couche, proportions volumiques et tailles des impuretés, rugosité de la surface. Il repose sur plusieurs hypothèses majeures : optique géométrique, milieux continus par morceaux, inclusions quasi-sphériques. L’approximation des deux flux est utilisée pour le transfert au sein de la couche mais la réflexion spéculaire en surface est estimée en tenant compte de la variabilité des facettes de la rugosité surfacique. Ce modèle a été validé numériquement et sur des données de laboratoire et des tests numériques. La méthode d’inversion consiste à créer des bases de données synthétiques d’après le modèle de transfert radiatif pour déterminer les jeux de paramètres les plus probables pour reproduire une mesure donnée. L’inversion repose sur le formalisme bayésien : les grandeurs manipulées sont décrites par des densités de probabilités. Ceci permet la prise en compte de manière réaliste des incertitudes sur la donnée et le calcul d’une incertitude a posteriori sur le résultat de l’inversion. Une étude ciblée d’un site d’intérêt a été menée pour tester et démonter l’applicabilité de cette démarche à l’inversion massive de données de spectro-imagerie. Nous avons déterminé l’état de surface du champ de dunes du cratère de Richardson (72°S, 180°W), choisi car il présente de fortes interactions entre cycle de l’eau et du CO2, une important activité saisonnière de jets froids mais aussi une grande quantité de données disponible et une haute qualité du suivi temporel. Le suivi des caractéristiques de surface sur ce site montre une diminution de l’épaisseur de la couche de glace pendant le printemps cohérente avec les estimations des modèles de climat. Nous avons pu estimer et faire le suivi du contenu en eau et en poussière pour discuter le scénario de formation des jets froids. Nous avons proposé un nouveau mécanisme de mise en suspension des petits grains d’eau.