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25/01/2017 - PASQUON Kelly

Activités climatiques saisonnières sur Mars et leurs impacts sur la morphologie

Directeur : Julien GARGANI.

Financement : Allocation MESR.

Thèse soutenue le 25 janvier à 14h, à l’Université Paris-Sud, bâtiment 510, Laboratoire de Physique des Solides (LPS) rue André Rivière, 91400 Orsay, amphi Blandin.

Devant le jury composé de :

- Mr Pascal Allemand - Rapporteur
- Mr François Forget - Rapporteur
- Mr Olivier Bourgeois - Examinateur
- Mme Susan Conway - Examinateur
- Mr Xavier Quidelleur - Examinateur
- Mr Mathieu Vincendon - Examinateur
- Mme Marion Massé - Invité
- Mr Julien Gargani – Directeur de thèse

Résumé

La surface de Mars a longtemps été considérée comme inactive de nos jours. Cependant, de nombreux phénomènes actifs ont été observés ces dernières années comme : des ravines, des tornades de poussières, des écoulements ou des taches sombres. La plupart d’entre eux sont encore inexpliqués et soulèvent de nombreuses questions au regard des conditions de surface existantes actuellement. Afin d’améliorer la compréhension de ces processus et en particulier des ravines, cette thèse a pour but d’en étudier certains par une approche pluridisciplinaire combinant l’analyse de données issues des missions spatiales martiennes et par une approche expérimentale. Les données de télédétection ont permis une analyse morphologique détaillée grâce aux images provenant de la caméra HiRISE (High Resolution Imaging Science Experiment) et de leurs MNT (Modèle Numérique de Terrain). Celles-ci ont été complétées par une analyse de la composition de la surface grâce aux données spectroscopiques CRISM (Compact Reconnaissance Imaging Spectrometer for Mars).

Des études expérimentales visant à mieux comprendre l’effet de la pression et des mélanges fluides/grains sur des écoulements martiens ont également été réalisés. Les études morphologiques et compositionnelles réalisées dans l’hémisphère sud de Mars, ont permis d’arriver aux conclusions suivantes : i) Les ravines ont un fonctionnement saisonnier et se différencient entre elles par leur morphologie, leur taille, leur période d’activité, leur orientation et leur pente, ii) Certaines ravines saisonnières sont très récentes : elles se créent et disparaissent actuellement, alors que d’autres fonctionnent depuis une centaine d’années martienne, iii) Le CO2 semble être le principal agent actif pour leur création, même si l’eau liquide et les saumures ne peuvent être écartées dans certains cas, iv) Les différences d’insolation et l’accumulation de matériel en amont de l’écoulement influencent l’activité des ravines saisonnières. v) Un fluide différent de l’eau peut créer et faire évoluer des sinuosités de nos jours sur Mars.

Les expériences réalisées au cours de cette thèse ont montré que : i) Les écoulements d’eau en surface et sub-surface d’un milieu granulaire, vont avoir un impact morphologique plus important à basse pression ( 7mbar) qu’à pression terrestre ( 1000 mbar), ii) Il existe des modes de transport des sédiments atypiques à basse pression : un processus de « lévitation » (impliquant des fluides gazeux) et de la saltation. Les morphologies qui en découlent, peu courantes sur Terre, sont susceptibles d’intervenir sur Mars, iii) Des mêmes constituants d’un écoulement peuvent créer des morphologies et des dynamiques réellement différentes. Trois paramètres semblent jouer un rôle important sur la morphologie d’un écoulement : l’épaisseur de sédiment mobilisable, les différences de températures entre la surface et l’écoulement ainsi que la quantité de matériel écoulé. L’analyse dans cette thèse d’un grand nombre d’activités saisonnières ainsi que l’approche pluridisciplinaire utilisée ont permis de mettre en évidence des écoulements actuels reliés avec des processus exotiques. La détermination plus précise des conditions de formation de ces phénomènes actuels ne pourra se faire que grâce à l’acquisition de nouvelles données sur tous ces sites et sur plusieurs saisons. De nouvelles expériences en laboratoire permettant en particulier de mieux comprendre les processus liés au CO2 sont également nécessaires.

Abstract

Mars surface has been considered like a currently inactive planet for a long time. Nevertheless, numerous active phenomena have been observed during the last few years such as : gullies, dust devils, dark and bright flows. Most of them are also unexplained and their formation processes are unclear under present Mars conditions. The aim of this PhD is to study some gullies to try to understand their formation processes on Mars at the present time. For this, martian spacecraft data were analyzed and experimental studies were performed. Thanks to HiRISE (High Resolution Imaging Science Experiment) images and HiRISE DTM (Digital Terrain Models), a morphological study was carried out. This study has been completed by a spectroscopic study of the surface thanks to CRISM (Compact Reconnaissance Imaging Spectrometer for Mars) data. Experiments were also performed with a mix of liquid and sand to try to understand the pressure impact on martians flows.

Morphological and spectroscopic studies on the southern hemisphere of Mars lead us to conclude that :

i) Gullies are seasonal. They have different morphologies, sizes, timing of activities, orientations, and slopes. ii) Gullies are young. They appear and disappear on present-day. Some of them are active since 100 years. iii) CO2 frost seems to be a good candidate for gullies creation but a participation of liquid water can’t be excluded in some cases. iv) Insolation variations and material accumulations in the upper part of the flow influence the gullies activity. v) Sinuosities can be created by another fluid than liquid water today on Mars.

Experiments performed during this PhD demonstrate that : i) Water flow in granular surface and sub-surface triggers higher morphological impact under Martian pressure ( 7mbar) and Earth pressure ( 1000 mbar). ii) Exotic sediment transport can be observed at low pressure ( 7mbar) : “levitation” (with gas) and saltation. The morphology and dynamics are influenced by 3 main parameters : the sediment thickness, the temperature variations between the surface and the flow and the amount of flow material.

Several seasonal phenomena were analyzed with different approaches. This allowed us to observe and interpret present-day flows and exotic processes. More data and new experiments at low pressure (in particular with CO2) will help us to better constrain and better understand the formation conditions of current seasonal activities on the Mars surface.