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

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.

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)

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

Instrument développé au LATMOS (ex-Service d’aéronomie). 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 d’observation : Occultation (étoile / soleil) Nadir Limbe IR Spectrometer -800 g- UV Spectrometer -3 kg-

Transducer Light IN OUT RF IN TeO2 crystal

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

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

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

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

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

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

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)

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.

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 #17 13 jan. 2004 ratio Line of sight Mars Express spacecraft star orbit Atmosphere MARS

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

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)

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

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

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

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

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

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

Lefèvre et al. (2013)

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

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

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

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

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

Maltagliati et al. (Science, 2011)

Credit: ESA/AOES Medialab

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

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

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

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

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 100 000 années. 0.1 50 200 ppm Montmessin et al., 2004

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

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

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