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PICAM sur Mars Express: (putain,)10 ans ! F. Montmessin et léquipe SPICAM au LATMOS France: LATMOS, LMD, IAS Russia: IKI Belgium: IASB, Univ. Liège U.S.:

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

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

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

5 Instrument développé au LATMOS (ex-Service daéronomie). Le même instrument vole sur la mission ESA Venus Express. Bande spectrale / Résolution: UV: 118-320 nm R=150 IR: 1.0-1.7 µm R=1300 Modes dobservation : Occultation (étoile / soleil) Nadir Limbe UV Spectrometer - 3 kg- IR Spectrometer - 800 g-

6 Light IN OUT RF IN TeO 2 crystal Transducer

7 Mars Express spacecraft orbit MARS NADIR : linstrument vise dans la direction du centre de la planète = mesure du spectre de la lumière solaire réfléchie par la surface et latmosphère Colonne dabondance des constituants CO 2, O 3, H 2 O responsables des absorptions observées

8 Mars Express spacecraft orbit MARS LIMBE : Linstrument vise le bordde la planète = mesure du spectre des émissions et diffusion du spectre solaire par latmosphère Profil vertical en altitude des émissions aéronomiques et des poussières

9 Spectrum of the star : outside the atmosphere through the atmosphere star Mars Express spacecraft orbit MARS Line of sight OCCULTATION : Linstrument vise une étoile à travers latmosphère de la planète = mesure du spectre de létoile à travers et hors atmosphère profils verticaux des constituants responsables des absorptions observées (CO 2, O 3, O 2, CO, H 2 O, aérosols)

10 NO δ C 2 – X 2 NO γ A 2 + – X 2 H Lyα Spectre UV (côté nuit) Bertaux et al. (Science, 2005)

11 O 2 1 g The oxygen O 2 1 g emission line at 1.27 m is produced by UV dissociation of O 3 H 2 O ice CO 2 ice Korablev et al. (JGR, 2006)

12 Etat des lieux Instrument health: 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 10,000 th 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 1.Emissions spontanées de latmosphère: NO detection and characterization (UV ) Auroras and Dayglows (CO 2 +, CO, etc.) (UV) Hydrogen and Oxygen corona (UV) O 2 dayglow/nightglow (IR) (also relevant to 2.) 2.Composition et climat: Ozone, carbon dioxide (temperature) and water vapor mapping and vertical profiling (UV & IR) Aerosols and clouds characterization (UV & IR) 3.Surface(s) : Phobos and Deimos observations (UV)

14 Quelques accomplissements SPICAMesques….. 1.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. 2.Atmospheric Composition & Climate Detection of mesospheric (>100 km) cloud layers, of likely CO 2 ice origin; First annual mapping of O 3, simultaneously with H 2 O; 4D (x,y,z,t) distribution of O 3 and H 2 O 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 Spectrum of the star : outside the atmosphere through the atmosphere ratio star Atmospheric Transmission Mars Express spacecraft orbit SPICAM Ultra-Violet observations, orbit #17 13 jan. 2004 MARS Line of sight

16 Occultation sequence 1 spectrum / second z~1-3 km Prominent signatures of CO 2, O 3 and aerosols CO 2 profile gives T(z) Aerosols affect whole spectral range and exhibits a pronounced spectral slope

17 Forget et al. (JGR, 2009) Large differences between SPICAM observations and LMD GCM predictions for the mesopause altitude and temperature O underestimated by model = CO 2 cooling underestimated

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

19 Nuages mésosphériques martiens : de la glace de CO 2 ?

20 Määttänen et al., Icarus, 2013 Evolution spatio-temporelle de lactivité 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 Z top

21 Mars Express spacecraft orbit MARS NADIR : linstrument 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 dabondance des constituants CO2, O3, H2O responsables des absorptions observées

22 1.4 1.2 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 Relative albedo 320300280260240220200 wavelength (nm) SPICAM relative albedo model with Earth O3/200 model with Earth O3 Observation nadir : principe θ1θ1 Scattering by surface with albedo A MEX/ SPICAM t v vertical optical thickness of absorption, varies strongly with wavelength Absorption by gas SPICAM – near Infrared observations, orbit 8, 9 jan. 2004 SPICAM – Ultra-Violet observations, orbit 8, 9 jan. 2004 UV IR

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

24 Lefèvre et al. (2013)

25 MY29 MY27 MY28 Multi-annual monitoring of H 2 O water vapor MY30 MY27 MY28 H 2 O, pr. m Ls

26 Annual water vapor cycle: an average view All years combined 1 km 3 of ice H 2 O pr.mm

27 MY29 MY27 Interannual variability of H 2 O vapor MY30 MY28 H 2 O, pr. m

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

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

30

31 Credit: ESA/AOES Medialab

32 north south southern spring SPICAM data LMD GCM predictions 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 60 km Climate Model results: Water vapor contours (colors) superimposed on circulation pattern Montmessin et al., 2004 0.150200 ppm Northern summerSouthern summer Aphelion cloud belt formation at z ~15 km

36 On an annual average, the climatic asymmetry favors accumulation/storage of water in the north. 60 km Montmessin et al., 2004 0.150200 ppm Aphelion cloud belt formation at z ~15 km Southern summerNorthern summer

37 60 km Montmessin et al., 2004 0.150200 ppm Southern summerNorthern summer SPICAM GCM

38 MY29 MY27 MY30 MY28 H 2 O, pr. m Interannual variability of H 2 O vapor

39 MY29 MY27 MY30 MY28 H 2 O, pr. m Interannual variability of H 2 O vapor


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