PICAM sur Mars Express: (putain,)10 ans !

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1 PICAM sur Mars Express: (putain,)10 ans !
F. Montmessin et l’équipe SPICAM au LATMOS France: LATMOS, LMD, IAS Russia: IKI Belgium: IASB, Univ. Liège U.S.: SwRI, Univ. of Arizona

2 L’équipe SPICAM France (LATMOS, LMD, IAS): F. Montmessin (PI), J.-L. Bertaux (ex-PI), A. Reberac, G. Lacombe, N. Chapron, F. Lefèvre, J.-Y. Chaufray, F. Leblanc, F. Forget, S. Lebonnois, E. Quémerais, L. Maltagliati, A. Määttänen, C. Listowski, B. Gondet Russie (IKI) : O. Korablev (CoPI), A. Fedorova, A. Trokhimovsky, A.V. Rodin Belgique (IASB, Univ. de Liège) : A.-C. Vandaele, N. Mateshvili, Y. Willamme, J.-C. Gérard, A. Stiepen, D. Fussen, C. Simon U.S. (LPL): B. Sandel, A. Stern Collaborations: P. Withers, S. Bougher, T. McDunn, N. Schneider, etc.

3 SPICAM « light » on Mars Express: 4.8 kg
SPICAM on Mars 96: 40 kg SPICAM « light » on Mars Express: 4.8 kg SPICAM UV/Vis étoile (17 kg) IR AOTF Spectrometer (0.8 kg) UV Grating Imaging Spectrometer (4 kg) SPICAM IR solar (23 kg)

4 Schéma Optique UV IR Bertaux et al. (JGR,2006)

5 Instrument développé au LATMOS (ex-Service d’aéronomie).
Le même instrument vole sur la mission ESA Venus Express. Bande spectrale / Résolution: UV: nm R=150 IR: µm R=1300 Modes d’observation : Occultation (étoile / soleil) Nadir Limbe IR Spectrometer g- UV Spectrometer -3 kg-

6 Transducer Light IN OUT RF IN TeO2 crystal

7 NADIR : l’instrument vise dans la direction du centre de la planète
= mesure du spectre de la lumière solaire réfléchie par la surface et l’atmosphère Colonne d’abondance des constituants CO2, O3, H2O responsables des absorptions observées Mars Express spacecraft orbit Atmosphere MARS

8 Atmosphere MARS LIMBE : L’instrument vise le “bord”de la planète orbit
= mesure du spectre des émissions et diffusion du spectre solaire par l’atmosphère  Profil vertical en altitude des émissions aéronomiques et des poussières Mars Express spacecraft orbit Atmosphere MARS

9 OCCULTATION : L’instrument vise une étoile à travers l’atmosphère de la planète
= mesure du spectre de l’étoile à travers et hors atmosphère  profils verticaux des constituants responsables des absorptions observées (CO2, O3, O2, CO, H2O, aérosols) Spectrum of the star : outside the atmosphere through the atmosphere Line of sight Mars Express spacecraft star orbit Atmosphere MARS

10 Spectre UV (côté nuit) NO δ C2  – X2  NO γ A2  + – X2  H Lyα
Bertaux et al. (Science, 2005)

11 O21Dg Korablev et al. (JGR, 2006) The oxygen O21Dg emission line at 1.27 mm is produced by UV dissociation of O3 CO2 ice H2O ice

12 Etat des lieux Instrument health: Data Production: Science Production:
UV channel defects noticed since orbit #2639 = additional “cleaning” stage in the pipeline Further degradation since Safe Mode #25 of Mars Express in summer 2011 IR channel has operated flawlessly and continues to do so Data Production: MEx has completed its 10,000th orbit in 2011 SPICAM has achieved >10,000 observations and collected 13,500,000 UV spectra and 2,000,000 IR spectra to date 63 Giga-Octets of data transmitted to Earth Science Production: 60 publications JGR special edition (SPICAM results) in 2006 >180 communications in workshops/conferences

13 Thèmes scientifiques couverts
Emissions spontanées de l’atmosphère: NO detection and characterization (UV ) Auroras and Dayglows (CO2+, CO, etc.) (UV) Hydrogen and Oxygen corona (UV) O2 dayglow/nightglow (IR) (also relevant to 2.) Composition et climat: Ozone, carbon dioxide (temperature) and water vapor mapping and vertical profiling (UV & IR) Aerosols and clouds characterization (UV & IR) Surface(s) : Phobos and Deimos observations (UV)

14 Quelques accomplissements SPICAMesques…..
Martian Airglows: First detection of Nitric Oxide emissions, revealing atmospheric global circulation pattern; First detection of auroras above crustal magnetic field anomalies; Characterization of dayglow and nightglow emissions; Characterization of the O and H Martian corona. Atmospheric Composition & Climate Detection of mesospheric (>100 km) cloud layers, of likely CO2 ice origin; First annual mapping of O3, simultaneously with H2O; 4D (x,y,z,t) distribution of O3 and H2O through combination of occultation and nadir modes; Compilation of the largest density/temperature dataset in the mesospheric/thermospheric 70 to 140 km altitude range; Detection of water vapor in a high supersaturation state.

15 orbit Line of sight star Atmosphere MARS Atmospheric Transmission
Spectrum of the star : outside the atmosphere through the atmosphere Atmospheric Transmission SPICAM Ultra-Violet observations, orbit # jan. 2004 ratio Line of sight Mars Express spacecraft star orbit Atmosphere MARS

16 Occultation sequence 1 spectrum / second  z~1-3 km
Prominent signatures of CO2, O3 and aerosols CO2 profile gives T(z) Aerosols affect whole spectral range and exhibits a pronounced spectral slope

17 O underestimated by model = CO2 cooling underestimated
Large differences between SPICAM observations and LMD GCM predictions for the mesopause altitude and temperature O underestimated by model = CO2 cooling underestimated Forget et al. (JGR, 2009)

18 Nuages mésosphériques martiens
Montmessin et al. (Icarus, 2006)

19 Nuages mésosphériques martiens : de la glace de CO2 ?
Simultaneous temperature profile inversion indicates that layers appear partly inside supersaturated pockets of CO2

20 Evolution spatio-temporelle de l’activité nuages/aérosols :
Occultations stellaires/solaires confondues Suivi de la hauteur max (plafond) des aérosols correspondant à une opacité colonne le long de la ligne de visée de 1 Ztop Määttänen et al., Icarus, 2013

21 NADIR : l’instrument vise dans la direction du centre de la planète
= mesure du spectre de la lumière solaire réfléchie par la surface de la planète après qu’elle est traversée l’atmosphère comparaison spectre mesuré/spectre solaire : Colonne d’abondance des constituants CO2, O3, H2O responsables des absorptions observées Mars Express spacecraft orbit Atmosphere MARS

22 Observation nadir : principe
1.4 1.2 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 Relative albedo 320 300 280 260 240 220 200 wavelength (nm) SPICAM relative albedo model with Earth O3/200 model with Earth O3 UV MEX/ SPICAM SPICAM – Ultra-Violet observations, orbit 8, 9 jan. 2004 IR CO2 Water vapour band Absorption by gas tv vertical optical thickness of absorption, varies strongly with wavelength θ1 SPICAM – near Infrared observations, orbit 8, 9 jan. 2004 Scattering by surface with albedo A

23 Perrier et al. (J. Geophys. Res., 2006)

24 Lefèvre et al. (2013)

25 Multi-annual monitoring of H2O water vapor
H2O, pr.mm MY27 MY27 MY28 MY28 MY29 MY30 Ls

26 Annual water vapor cycle: an average view
H2O pr.mm All years combined 1 km3 of ice

27 Interannual variability of H2O vapor
H2O, pr.mm MY27 MY28 MY29 MY30

28 SPICAM Infrared observations
Atmospheric Transmission SPICAM Infrared observations Line of sight Mars Express spacecraft sun orbit Atmosphere

29 northern spring-summer
SPICAM data LMD GCM predictions north south northern spring-summer Maltagliati et al. (Science, 2011)

30 Maltagliati et al. (Science, 2011)

31 Credit: ESA/AOES Medialab

32 SPICAM data LMD GCM predictions north south southern spring
Maltagliati et al. (Icarus, 2013)

33 Meeting SPICAM/SPICAV
Poros Island (Greece): 28 june to 2 july 2010

34 50 – 100 ppm of water vapor at 60 km, for ~5 Ls

35 Aphelion cloud belt formation
Climate Model results: Water vapor contours (colors) superimposed on circulation pattern Northern summer Southern summer 60 km Aphelion cloud belt formation at z ~15 km Saisons clé pour les échanges inter-hémisphériques = solstices été nord et sud Présence d’une cellule de circulation unique qui transporte les masses d’air. Superposition des contours de vapeur d’eau et des fonctions courant. Contraste saisissant entre les deux saisons. Atmosphère froide de l’aphélie = niveau de condensation bas = nuage et précipitation 0.1 50 200 ppm Montmessin et al., 2004

36 Aphelion cloud belt formation
On an annual average, the climatic asymmetry favors accumulation/storage of water in the north. Northern summer Southern summer 60 km Aphelion cloud belt formation at z ~15 km Vapeur d’eau bloquée dans son ascencion verticale, reste prisonnière de l’HEm Nord. Inverse ne se produit par pour l’été sud, plus chaud, vapeur d’eau libre de circuler. En bilan net, effet favorise l’accumulation de l’eau dans l’hémisphère nord et éventuellement au pôle où le + grand réservoir est observé. Phénomène qui a sans doute rythmé des mouvements migratoires entre le pole nord et sud au cours des dernières années. 0.1 50 200 ppm Montmessin et al., 2004

37 Northern summer Southern summer SPICAM GCM
60 km SPICAM GCM Cependant, phénomène est sans doute surestimé par le modèle car les obs SPICAM indiquent une présence de vapeur d’eau beaucoup plus importante dans l’atmosphère moyenne vs. ce qui est modélisé. Induit par un phénomène de sursaturation qui n’est pas représenté et lié à des interactions microphysiques entre poussière et nuages. 0.1 50 200 ppm Montmessin et al., 2004

38 Interannual variability of H2O vapor
H2O, pr.mm MY27 MY28 MY29 MY30

39 Interannual variability of H2O vapor
H2O, pr.mm MY27 MY28 MY29 MY30