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Etude préparatoire à linterprétation des données micro-ondes de linstrument RADAR de la mission Cassini/Huygens : Impact de latmosphère de Titan Sébastien.

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1 Etude préparatoire à linterprétation des données micro-ondes de linstrument RADAR de la mission Cassini/Huygens : Impact de latmosphère de Titan Sébastien RODRIGUEZ Vendredi 24 0ctobre 2003 Sous la co-direction de : Philippe PAILLOU et Michel DOBRIJEVIC Laboratoire dAstrodynamique, Astronomie et Aéronomie de Bordeaux

2 Plan Rodriguez Sébastien - Soutenance de Thèse – L3AB – 24 Octobre Introduction - Distribution des aérosols et nature de la surface de Titan - Caractérisation diélectrique 3.Tests de performance de linstrument radar de Cassini 4.Application à la simulation simplifiée du mode altimètre dans le cas dune atmosphère nuageuse 5. Conclusion et perspectives 2.Catalogue des paramètres nécessaires pour les simulations radars - Transmission atmosphérique - Rétrodiffusion de surface

3 2.Catalogue des paramètres nécessaires pour les simulations radars Plan Rodriguez Sébastien - Soutenance de Thèse – L3AB – 24 Octobre Introduction - Distribution des aérosols et nature de la surface de Titan - Caractérisation diélectrique 3.Tests de performance de linstrument radar de Cassini 4.Application à la simulation simplifiée du mode altimètre dans le cas dune atmosphère nuageuse 5. Conclusion et perspectives - Transmission atmosphérique - Rétrodiffusion de surface 2.Catalogue des paramètres nécessaires pour les simulations radars

4 Le satellite de Saturne Titan : généralités Rodriguez Sébastien - Soutenance de Thèse – L3AB – 24 Octobre Masse1,35e+23 kg Rayon2575 km 0,4 R Terre Densité1,88 g.cm -3 Distance au Soleil Distance à Saturne 9,5 UA km Période de rotation15,94 jours Période orbitale15,94 jours T moyen (surface)94 K (-178 °C) Pression (surface)1,5 bar Composition atmosphérique N 2 : ~ % CH 4 : ~ 1-6 % Ar, aérosols Plus grand satellite de Saturne r > Lune, Pluton ou Mercure Grand intérêt pour la planétologie comparée Forte ressemblance avec la Terre primitive, laboratoire pour la chimie prébiotique Atmosphère dense et étendue Chimie très active (N 2 et CH 4 ) Epaisses brumes daérosols Mystère : surface ? (mers ?) Masse1,35e+23 kg Rayon2575 km 0,4 R Terre Densité1,88 g.cm -3 Distance au Soleil Distance à Saturne 9,5 UA km Période de rotation15,94 jours Période orbitale15,94 jours T moyen (surface)94 K (-178 °C) Pression (surface)1,5 bar Composition atmosphérique N 2 : ~ % CH 4 : ~ 1-6 % Ar (?), aérosols Cliché NASA/JPL

5 La mission Cassini-Huygens Mission internationale : collaboration NASA/ESA/ASI Lancée en Octobre 1997, atteindra Saturne en Juillet 2004 Rodriguez Sébastien - Soutenance de Thèse – L3AB – 24 Octobre HUYGENS Cliché NASA/ESANASA/ESA CASSINI

6 La mission Cassini-Huygens Rodriguez Sébastien - Soutenance de Thèse – L3AB – 24 Octobre HUYGENS Mission : descente à travers latmosphère de Titan Objectifs : étude in situ de latmosphère et la surface (?) de Titan CASSINI Mission : 4 ans en orbite autour de Saturne Objectifs : Saturne, anneaux, magnétosphère, Titan, satellites glacés

7 Objectif : Voir à travers lépaisse atmosphère de Titan - déterminer la présence de liquides à la surface - étudier la géologie et la topographie de sa surface solide Cassini/Radar Bande Ku : GHz ( 2.2 cm) 4 modes de fonctionnement : - SAR - Altimètre - Diffusiomètre - Radiomètre Linstrument RADAR Rodriguez Sébastien - Soutenance de Thèse – L3AB – 24 Octobre NASA/JPL ne 0 (modes actifs) : -25 dB

8 Problématique et objectif Rodriguez Sébastien - Soutenance de Thèse – L3AB – 24 Octobre le radar de Cassini est censé « voir » à travers latmosphère Question : Le radar arrivera-t-il à percer le voile de latmosphère de Titan en toutes circonstances ? estimation de limpact de latmosphère sur les performances des modes actifs (imageur et altimètre) de lexpérience radar Létude la surface de Titan est un enjeu majeur de lexploration spatiale mais celle-ci a toujours été difficile, voire impossible à cause de son épaisse atmosphère

9 Plan de travail Rodriguez Sébastien - Soutenance de Thèse – L3AB – 24 Octobre Simulations Profils de rayon, concentration des aérosols Nature de la surface Estimations des performances de linstrument Propriétés atmosphériques et surfaciques de la matière condensée Modèle diélectrique Recherche de valeurs de constantes diélectriques disponibles Caractérisation diélectrique expérimentale des tholins Paramètres instrumentaux du radar de Cassini

10 Plan Rodriguez Sébastien - Soutenance de Thèse – L3AB – 24 Octobre Introduction - Distribution des aérosols et nature de la surface de Titan - Caractérisation diélectrique 3.Tests de performance de linstrument radar de Cassini 4.Application à la simulation simplifiée du mode altimètre dans le cas dune atmosphère nuageuse 5. Conclusion et perspectives 2.Catalogue des paramètres nécessaires pour les simulations radars - Transmission atmosphérique - Rétrodiffusion de surface

11 Rodriguez Sébastien - Soutenance de Thèse – L3AB – 24 Octobre Simulations Profils de rayon, concentration des aérosols Collecte des paramètres pour les simulations radars (1) Propriétés atmosphériques et surfaciques de la matière condensée

12 Rodriguez Sébastien - Soutenance de Thèse – L3AB – 24 Octobre Sélection de 9 scénarios de distribution verticale des brumes de Titan 2 groupes : kilomètres Pression 1. Scénarios « secs » Aérosols de la haute et basse stratosphère : entre 450 et 90 km Extrapolation jusquà la surface 2. Scénarios « humides » Aérosols + condensation basse strato- et troposphere : entre 90 km et surface Les aérosols de Titan : synthèse bibliographique

13 Scénarios « secs » : multi-couches homogènes Rodriguez Sébastien - Soutenance de Thèse – L3AB – 24 Octobre estimation de et structures verticales à grande échelle des brumes Couche principale Couches détachées ajustement au 1 er ordre des données photométriques et polarimétriques (Voyager) à laide de modèles de brumes uniformes et multi-couches uniformes

14 Rodriguez Sébastien - Soutenance de Thèse – L3AB – 24 Octobre Nécessité de réconcilier les désaccords qui subsistaient entre les différentes observations Voyager Scénarios « secs » : brumes hétérogènes McKay et al. (1989) Cabane et al. (1992) scénarios hétérogènes de brumes tirés de modèles microphysiques de croissance daérosols

15 Rodriguez Sébastien - Soutenance de Thèse – L3AB – 24 Octobre Scénarios semi-homogènes McKay et al. (1989) Cabane et al. (1992) Propriétés du nuage Toon et al. (1988) et Courtin et al. (1995) extension10 < z < 30 km Rayon des gouttes 50 m < r < 3 mm Concentration2 < C < 6500 m -3 Ajout dune couche de nuages aux scénarios de brumes daérosols précédents Scénarios « humides » : nuage homogène de méthane Propriétés du nuage Toon et al. (1988) et Courtin et al. (1995) extension10 < z < 30 km Rayon des gouttesr = 2 mm Concentration10 < C < 1000 m -3 Ajout dune couche de nuages aux scénarios de brumes classiques

16 Rodriguez Sébastien - Soutenance de Thèse – L3AB – 24 Octobre approche théorique de la condensation par Frère et al. (1990) à partir de z =100 km, une condensation fractionnée commence à modifier la structure des aérosols HC 3 N HCN C3H8C3H8 C2C2 CH 4 Scénarios « humides » : nuage hétérogène dhydrocarbures

17 Rodriguez Sébastien - Soutenance de Thèse – L3AB – 24 Octobre Simulations Profils de rayon, concentration des aérosols Nature de la surface Propriétés atmosphériques et surfaciques de la matière condensée Collecte des paramètres pour les simulations radars (2)

18 Hypothèses sur la composition de surface Rodriguez Sébastien - Soutenance de Thèse – L3AB – 24 Octobre observations dans les fenêtres infrarouges du méthane fortement hétérogène : pas docéan global dhydrocarbures constituée de roches silicatées totalement ou partiellement recouvertes dun mélange de glaces deau, de NH 3, dhydrocarbures et dune couche daérosols Carte de brillance infrarouge HST (Smith et al. (1996)) daprès Elachi et al. (1991)

19 Rodriguez Sébastien - Soutenance de Thèse – L3AB – 24 Octobre Simulations Profils de rayon, concentration des aérosols Nature de la surface Propriétés atmosphériques et surfaciques de la matière condensée Modèle diélectrique Recherche de valeurs de constantes diélectriques disponibles Collecte des paramètres pour les simulations radars (3)

20 Matériaux dintérêt pour Titan Rodriguez Sébastien - Soutenance de Thèse – L3AB – 24 Octobre Méthane pur liquide (94 K) Mélange dhydrocarbures liquide (~100 K) Glace deau ( K) Mélange solide H 2 O-NH 3 (~77 K) r = j r = j r = j r = j Mélange solide CH 4 -C 2 H 6 (~90 K) r = j Silicates (~100 K) r = j Analogues daérosols (tholins) ?

21 Rodriguez Sébastien - Soutenance de Thèse – L3AB – 24 Octobre Simulations Profils de rayon, concentration des aérosols Nature de la surface Propriétés atmosphériques et surfaciques de la matière condensée Modèle diélectrique Recherche de valeurs de constantes diélectriques disponibles Caractérisation diélectrique expérimentale des tholins Collecte des paramètres pour les simulations radars (4)

22 La synthèse des tholins Rodriguez Sébastien - Soutenance de Thèse – L3AB – 24 Octobre Simulation de latmosphère de Titan Mélange N 2 -CH 4 (98:2) à 2 mbars (300 km) Production de 70 molécules et de « tholins » 3 échantillons

23 Caractérisation diélectrique Rodriguez Sébastien - Soutenance de Thèse – L3AB – 24 Octobre Expériences en cavités résonantes Perturbation dune onde plane stationnaire par lintroduction dune tige recouverte de tholins (LISA) le décalage de la fréquence de résonance atténuation du signal et r = j 20 % 2.45 GHz (12.2 cm) 10 GHz (3 cm)

24 Caractérisation diélectrique : Synthèse Rodriguez Sébastien - Soutenance de Thèse – L3AB – 24 Octobre Modèles diélectriques pour latmosphère et la surface de Titan

25 Plan Rodriguez Sébastien - Soutenance de Thèse – L3AB – 24 Octobre Introduction - Distribution des aérosols et nature de la surface de Titan - Caractérisation diélectrique 3.Tests de performance de linstrument radar de Cassini 4.Application à la simulation simplifiée du mode altimètre dans le cas dune atmosphère nuageuse 5. Conclusion et perspectives 2.Catalogue des paramètres nécessaires pour les simulations radars - Transmission atmosphérique - Rétrodiffusion de surface

26 Paramètres instrumentaux du radar de Cassini pour une géométrie simplifiée Tests de performance Rodriguez Sébastien - Soutenance de Thèse – L3AB – 24 Octobre Simulations Profils de rayon, concentration des aérosols Nature de la surface Estimations des performances du mode imageur Propriétés atmosphériques et surfaciques de la matière condensée Modèle diélectrique Recherche de valeurs de constantes diélectriques disponibles Caractérisation diélectrique expérimentale des tholins λ, θ, ne 0

27 Simulation de transmission atmosphérique Rodriguez Sébastien - Soutenance de Thèse – L3AB – 24 Octobre r(z), C(z), (z) Bilan radiatif 1-D 1. Calcul par diffusion Rayleigh et Mie de latténuation introduite par la traversée dune couche datmosphère 2. Addition de toutes les couches

28 Simulations de transmission atmosphérique : résultats Rodriguez Sébastien - Soutenance de Thèse – L3AB – 24 Octobre Scénarios « humides » Scénarios « secs »

29 Simulations de rétrodiffusion de surface Rodriguez Sébastien - Soutenance de Thèse – L3AB – 24 Octobre Estimation du coefficient de rétrodiffusion pour des surfaces lisses et des surfaces rugueuses

30 Simulation de rétrodiffusion de surface Rodriguez Sébastien - Soutenance de Thèse – L3AB – 24 Octobre Mode imageur surfaces rugueuses : retour faible mais détectable surfaces lisses : zones sombres sur les images Deux modèles de rétrodiffusion suivant la rugosité de la surface considérée Surface lisse Surface rugueuse

31 Tests de performance : synthèse Rodriguez Sébastien - Soutenance de Thèse – L3AB – 24 Octobre Une atmosphère uniquement composée de brumes daérosols sera totalement transparente pour le mode imageur de Cassini La présence de nuages de condensation dans la basse atmosphère pourrait engendrer une très forte atténuation et suffirait pour masquer la surface Pas dambiguïté pour linterprétation des images de surface Dommageable pour lanalyse des données de limageur

32 Plan Rodriguez Sébastien - Soutenance de Thèse – L3AB – 24 Octobre Introduction - Distribution des aérosols et nature de la surface de Titan - Caractérisation diélectrique 3.Tests de performance de linstrument radar de Cassini 4.Application à la simulation simplifiée du mode altimètre dans le cas dune atmosphère nuageuse 5. Conclusion et perspectives 2.Catalogue des paramètres nécessaires pour les simulations radars - Transmission atmosphérique - Rétrodiffusion de surface

33 Fonctionnement du mode altimètre Rodriguez Sébastien - Soutenance de Thèse – L3AB – 24 Octobre Fréquence centrale13.78 GHz Puissance63 W Angle de viséeNadir (0°) PRF4,7-5,6 kHz Largeur du pulse150 µs Largeur de bande4250 kHz ne 0 25 dB Mode pulsé Détermination de la distance antenne/cible par la mesure du temps de propagation aller-retour de limpulsion : R = ct/2

34 Simulations 1-D de rétrodiffusion volumique du pulse altimètre Rodriguez Sébastien - Soutenance de Thèse – L3AB – 24 Octobre Impact des nuages sur la forme du pulse altimètre expression de la convolution entre la forme du pulse envoyé u(t) et dune fonction caractéristique du milieu rencontré f(t)

35 Couche de nuages homogène Rodriguez Sébastien - Soutenance de Thèse – L3AB – 24 Octobre Propriétés du nuage Toon et al. (1988) et Courtin et al. (1995) extensionsurface < z < 100 km Rayon des gouttesr = 2 mm ConcentrationC = 10 m -3 Fonction caractéristique du nuage homogène

36 Couche nuageuse homogène : résultats Rodriguez Sébastien - Soutenance de Thèse – L3AB – 24 Octobre La distance entre lorbiteur et le sommet de la couche de nuage 2.Lépaisseur du nuage 3.Couple rayon/concentration Le pulse rétrodiffusé nous donne des informations sur :

37 Couche nuageuse hétérogène Rodriguez Sébastien - Soutenance de Thèse – L3AB – 24 Octobre Fonction caractéristique de nuages hétérogènes

38 Couche nuageuse hétérogène : résultats Rodriguez Sébastien - Soutenance de Thèse – L3AB – 24 Octobre

39 Application météorologique : radar pluie Rodriguez Sébastien - Soutenance de Thèse – L3AB – 24 Octobre

40 Carte de réflectivité radar Rodriguez Sébastien - Soutenance de Thèse – L3AB – 24 Octobre Carte de lamplitude rétrodiffusée dans le cas dun récepteur idéal

41 Carte de détectabilité Rodriguez Sébastien - Soutenance de Thèse – L3AB – 24 Octobre Carte de détectabilité pour laltimètre de Cassini nuage

42 Plan Rodriguez Sébastien - Soutenance de Thèse – L3AB – 24 Octobre Introduction - Distribution des aérosols et nature de la surface de Titan - Caractérisation diélectrique 3.Tests de performance de linstrument radar de Cassini 4.Application à la simulation simplifiée du mode altimètre dans le cas dune atmosphère nuageuse 5. Conclusion et perspectives 2.Catalogue des paramètres nécessaires pour les simulations radars - Transmission atmosphérique - Rétrodiffusion de surface

43 Conclusions Rodriguez Sébastien - Soutenance de Thèse – L3AB – 24 Octobre La prise en compte de latmosphère de Titan ne peut être totalement écartée : notamment dans le cas dune atmosphère nuageuse Grâce à létude de la forme du pulse rétrodiffusé, il serait possible de retirer des informations sur cette couche nuageuse : épaisseur, propriétés des gouttes … -Ecrantage atmosphérique - Ambiguïté pour linterprétation des zones sombres sur les images SAR Tests de performance du mode imageur Simulation simplifiée du mode altimètre

44 Perspectives Rodriguez Sébastien - Soutenance de Thèse – L3AB – 24 Octobre Travail de simulation purement préparatoire Utilité Liberté de pouvoir explorer un espace des paramètres étendu Réponse aux questions : - quel sera limpact de latmosphère de Titan sur cette expérience ? - dans quelles conditions réussira-t-elle à réaliser ses objectifs ? Limites et développements futurs (horizon Juillet 2004) Simulations modèle complet dinversion des futures données Meilleures contraintes sur : - propriétés de la basse atmosphère (nuages) - valeurs de constante diélectrique Application pour altimètre de descente bande Ku de Huygens

45 MERCI A TOUS

46 introduction

47 Suppléments

48 Titan : généralités Rodriguez Sébastien - Soutenance de Thèse – L3AB – 24 Octobre satellites connus de forme, taille et composition dune extrême variété Titan est de loin le plus grand satellite de Saturne et le seul à posséder une atmosphère Saturne et Titan vus par Cassini (Octobre 2002) NASA/JPL Image prise par la sonde Voyager 2 (1981) NASA/JPL Saturne Titan

49 Linstrument Radar Rodriguez Sébastien - Soutenance de Thèse – L3AB – 24 Octobre Foyer secondaireAntenne de télécommunication (Ø 3.66 m) (antenne à grand gain)

50 Traces programmées du radar à la surface de Titan © R.D. Lorenz

51 © NASA/JPL

52 Simulation de transmission atmosphérique Rodriguez Sébastien - Soutenance de Thèse – L3AB – 24 Octobre

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