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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: nm R=150 IR: µm R=1300 Modes dobservation : Occultation (étoile / soleil) Nadir Limbe UV Spectrometer - 3 kg- IR Spectrometer 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 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 Relative albedo 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 SPICAM – Ultra-Violet observations, orbit 8, 9 jan 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., 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., ppm Aphelion cloud belt formation at z ~15 km Southern summerNorthern summer

37 60 km Montmessin et al., 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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