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1 LMD, IPSL (F. Forget, équipe planétologie & bureau détude) LERMA (G. Beaudin, M. Gheudin, J.M. Krieg, A. Maestrini,) LESIA ( T. Encrenaz, T. Fouchet,

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1 1 LMD, IPSL (F. Forget, équipe planétologie & bureau détude) LERMA (G. Beaudin, M. Gheudin, J.M. Krieg, A. Maestrini,) LESIA ( T. Encrenaz, T. Fouchet, E. Lellouch, R. Moreno) LAB, Obs. De Bordeaux (F. Billebaud, P. Caïs, S. Gauffre) LATMOS (F. Lefevre, F. Montmessin) MPS Lindau, Allemagne (Paul Hartogh & submm team) + Collaboration en Suède ( Chalmers, Omnisys, SSC), UK (Oxford University), USA, Japon, etc. Un sondeur submillimétrique pour le Mars Trace Gas Orbiter 2016

2 2 Plan Contexte du projet Objectifs scientifiques Aspects techniques Montage possible en France, Europe, monde.

3 3 Contexte du projet. ESA/NASA Trace Orbiter Appel doffre pour la charge utile : 15 avril 2010 Objectifs scientifiques: : – Survey and detection of trace gases – Map selected gases (e.g., methane) and precursur species (e.g., H2O) over the globe and as a function of local time and season, preferably unaffected by aerosols –Map atmospheric state (e.g., temperature, aerosol concentration, clouds) –Validate models of atmospheric transport and inverse modeling for sources of trace gas –Characterize potential source regions Un sondeur submillimétrique est indispensable pour atteindre ces objectifs Le JIDT propose d alouer 27kg/80 W (avg) / 800 mbits/day Concept instrumental pour Mars essentiellement développé en France et en Europe –projet MAMBO (Mars Premier, Phase B, PI; F. Forget) –MIME (Mars Express AO, PI: P. Hartogh), etc.

4 4 Nadir Limb z = 10 km Principe de la mesure Exemple (MAMBO) à 300 GHz. Alternative envisagée vers GHz

5 5 Science objective 1) 3D mapping of the wind from 20 to 110 km (cross-track wind) Measurement of the Doppler shift on 13 CO et CO (10 m/s = 10 kHz) First direct wind observations from orbit Accuracy : ~10 m/s This observations is crucial to study Mars Meteorology and climate because indirect estimation of the wind is difficult on Mars. Doppler shift Winds

6 6 2) 3D mapping of temperature (0-120km) Inversion of CO and 13 CO Unprecedented sensitivity: Insensitivity to aerosols (affect IR below 40 km) Thermal emission α T Well known line shape Local thermal equilibrium (LTE) valid everywhere (major problem in the IR above 70 km) Simulated inversion using CO at GHz (Bordeaux Observatory - LMD) Vertical resolution 13km Vertical resolution 10 km Vertical res 5 km

7 7 Combining wind + temperature : Winds Température Data assimilation Meteorological model 4D circulation of the atmosphere between 0 and 120 km ! Comparative meteorology Tracer transport Inverse modeling for sources of trace gas

8 8 3) Search for minor trace gases By scanning the entire spectral region Requires long integration (e.g. addition of spectra) Target molecules with rotational lines: HO 2, NO, HCO 2 H, HCN, CH 2 O, SO, OCS Symmetric molecules like CH 4 have no significant lines usable on Mars.

9 9 4) 3D mapping of water vapor (0-60km) Inversion of H 2 O, HDO, H 2 18 O) Insensitivity to aerosols High accuracy and sensitivity First water profiles in the troposphere Simulated inversion of H2O at GHz (Obs de Bordeaux-LMD)) Water vapor + general circulation : => Water cycle, sources, sinks

10 10 4) 3D mapping of D/H ratio Vertical, horizontal, Seasonal variations Strong fractionnation at condensation level ( Bertaux and Montmessin, 2002, Fouchet and Lellouch 2001 Montmessin et al ) Detection of ground reservoir signature ? (Fisher 2007) Determination of a reference value for Mars Cloud microphysic & Water cycle Study of escape processes & volatile evolution

11 11 5) 3D mapping of H 2 O 2 Key molecule (H2, O2, CO regulation) detected since 2004 (Clancy et al. 2004, Encrenaz et al. 2004) Surface oxydation => Exobiology 6) 3D mapping of O 3 up to 70 km simultaneously with H2O 7) 3D mapping of CO => A complete view of Mars main photochemisrty

12 12 8) Magnetic field (Option ??? ) Detection of the «Zeeman» effect in the O2 emission ( MHz) In practice : measurement of the difference between vertical and horizontal polarization between 30 et 60 km daltitude => Mapping of the crustal magnetic field ! Résolution : ~50 km ? 200 km ? Accuracy < 1 micro-Tesla ?

13 13 Design, masse, puissance, flux de données: Data rates < 350 Mbits/day (descoped : 50 Mbits/day) Masse, puissance, et flux de données sont nettement en dessous des limites suggérées par le JIDT ( 27kg/80 W/ 800 Mbits/day) possibilité de marges importantes pour faciliter le développement en temps limité. Conversion for spacecraft to instrument voltage not included. Up to 20%. more

14 14 Instrument Functional Diagram and subcomponents Antenna subsystem Receivers IF processor Spectrometers Electronics (power + data handling)

15 15 Montage possible et contribution Française 1.Maîtrise dœuvre Française 2.Maîtrise dœuvre Allemande avec forte contribution Française 3. Contribution au projet Américain

16 16 Scenario 1) Maîtrise dœuvre Française Composante instrumentale clé fournie par les laboratoires: –Antenne, charge de calibration : LMD + CNES (Expérience : Saphir) –Recepteurs: LERMA (Expérience : MIRO/Rosetta + Heschell HIFI) –Processeur FI : LAB (Bordeaux) (Expérience: Herschell HIFI) –Spectromètre : MPS ou Omnisys (suede) –Electronique : CNES ? Eléments pour estimer le coût : –Saphir : coût total estimé à ~8 Meuros, en incluant les ressources humaines CNES, et avec front–end fourni par ASTRIUM –Elément majeur du budget: front-end. Réalisation LERMA ~2-3 Meuros. –Possibilité de partenariat étranger : contact pris avec Rutherford lab (Oxford), JAXA (Japon) CST CNES maitre dœuvre mécanique, thermique, intégration, tests Expérience: Montage inspiré par le sondeur submm Saphir (satellite Megha tropique) : discussion avec léquipe CNES Saphir très positive) Saphir

17 17 Scenario 2: Maitrise dœuvre allemande Composante instrumentale clé fournie par les laboratoires Français: –Recepteurs: LERMA (Expérience : MIRO/Rosetta + HIFI/ Herschel) –Processeur FI : LAB (Bordeaux) (Expérience: HIFI/ Herschel) –Antenne, charge de calibration : LMD (Expérience : Saphir …) Co-PI ship envisageable si participation Française suffisante Coût total envisageable : ~3 – 5 Meuros. Montage initialement envisagé, mais le DLR na pas confirmé sa participation à la charge utile du Trace Gas Orbiter 2016 (attente, comme pour le CNES; rumeur de décision imminente avec budget > 0…) SWI Max Planck Institute for Solar System Research maitre dœuvre : mécanique, thermique, intégration, tests, spectromètres Expérience: Herschel, MIRO, projet Mars MIME, SWI, etc…

18 18 Scenario 3: Contribution au projet américain « SOAR » PI : Mark Allen (JPL) Instrument basé sur un concept déjà développé (mission Scout MARVEL) : –1 canal –1 seule raie observée simultanément – « frequency hopping » pour changer de raie. Problème de calibration ? Participation en cours de définition Amélioration possible ?

19 19 Montage possible et contribution Française 1.Maîtrise dœuvre Française 2.Maîtrise dœuvre Allemande avec forte contribution Française 3. Contribution au projet Américain Fourniture de lantenne principale (LMD) ? Fourniture de lUSO, frequency synthesizer (LERMA) ? Forte participation scientifique (inversion, GCM :assimilation, retro-trajectoire).


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