Vendredi 24 0ctobre 2003 Laboratoire d’Astrodynamique, Astronomie et Aéronomie de Bordeaux Etude préparatoire à l’interprétation des données micro-ondes de l’instrument RADAR de la mission Cassini/Huygens : Impact de l’atmosphère de Titan Sébastien RODRIGUEZ Sous la co-direction de : Philippe PAILLOU et Michel DOBRIJEVIC

Plan Introduction 2. Catalogue des paramètres nécessaires pour les simulations radars - Distribution des aérosols et nature de la surface de Titan - Caractérisation diélectrique 3. Tests de performance de l’instrument radar de Cassini - Transmission atmosphérique - Rétrodiffusion de surface 4. Application à la simulation simplifiée du mode altimètre dans le cas d’une atmosphère nuageuse 5. Conclusion et perspectives Rodriguez Sébastien - Soutenance de Thèse – L3AB – 24 Octobre 2003 1

Plan Introduction 2. Catalogue des paramètres nécessaires pour les simulations radars 2. Catalogue des paramètres nécessaires pour les simulations radars - Distribution des aérosols et nature de la surface de Titan - Caractérisation diélectrique 3. Tests de performance de l’instrument radar de Cassini - Transmission atmosphérique - Rétrodiffusion de surface 4. Application à la simulation simplifiée du mode altimètre dans le cas d’une atmosphère nuageuse 5. Conclusion et perspectives Rodriguez Sébastien - Soutenance de Thèse – L3AB – 24 Octobre 2003 1

Le satellite de Saturne Titan : généralités Plus grand satellite de Saturne r > Lune, Pluton ou Mercure Masse 1,35e+23 kg Rayon 2575 km 0,4 R Terre Densité 1,88 g.cm-3 Distance au Soleil Distance à Saturne 9,5 UA 1 221 850 km Période de rotation 15,94 jours Période orbitale Tmoyen (surface) 94 K (-178 °C) Pression (surface) 1,5 bar Composition atmosphérique N2 : ~ 82-99 % CH4 : ~ 1-6 % Ar, aérosols Masse 1,35e+23 kg Rayon 2575 km 0,4 R Terre Densité 1,88 g.cm-3 Distance au Soleil Distance à Saturne 9,5 UA 1 221 850 km Période de rotation 15,94 jours Période orbitale Tmoyen (surface) 94 K (-178 °C) Pression (surface) 1,5 bar Composition atmosphérique N2 : ~ 82-99 % CH4 : ~ 1-6 % Ar (?), aérosols Atmosphère dense et étendue Chimie très active (N2 et CH4) Epaisses brumes d’aérosols Mystère : surface ? (mers ?) Grand intérêt pour la planétologie comparée Forte ressemblance avec la Terre primitive, laboratoire pour la chimie prébiotique Cliché NASA/JPL Rodriguez Sébastien - Soutenance de Thèse – L3AB – 24 Octobre 2003 2

La mission Cassini-Huygens Mission internationale : collaboration NASA/ESA/ASI Lancée en Octobre 1997, atteindra Saturne en Juillet 2004 HUYGENS CASSINI Cliché NASA/ESA NASA/ESA Rodriguez Sébastien - Soutenance de Thèse – L3AB – 24 Octobre 2003 3

La mission Cassini-Huygens Mission : descente à travers l’atmosphère de Titan Objectifs : étude in situ de l’atmosphère et la surface (?) de Titan HUYGENS CASSINI Mission : 4 ans en orbite autour de Saturne Objectifs : Saturne, anneaux, magnétosphère, Titan, satellites glacés Rodriguez Sébastien - Soutenance de Thèse – L3AB – 24 Octobre 2003 4

ne0 (modes actifs) : -25 dB L’instrument RADAR Cassini/Radar Objectif : Voir à travers l’épaisse atmosphère de Titan - déterminer la présence de liquides à la surface - étudier la géologie et la topographie de sa surface solide Bande Ku : 13.78 GHz ( 2.2 cm) 4 modes de fonctionnement : - SAR - Altimètre - Diffusiomètre Radiomètre NASA/JPL ne0 (modes actifs) : -25 dB Rodriguez Sébastien - Soutenance de Thèse – L3AB – 24 Octobre 2003 5

Problématique et objectif L’étude la surface de Titan est un enjeu majeur de l’exploration spatiale mais celle-ci a toujours été difficile, voire impossible à cause de son épaisse atmosphère  le radar de Cassini est censé « voir » à travers l’atmosphère Question : Le radar arrivera-t-il à percer le voile de l’atmosphère de Titan en toutes circonstances ?  estimation de l’impact de l’atmosphère sur les performances des modes actifs (imageur et altimètre) de l’expérience radar Rodriguez Sébastien - Soutenance de Thèse – L3AB – 24 Octobre 2003 6

Plan de travail Simulations Propriétés atmosphériques et surfaciques de la matière condensée Modèle diélectrique Recherche de valeurs de constantes diélectriques disponibles Caractérisation diélectrique expérimentale des tholins Profils de rayon, concentration des aérosols Nature de la surface Paramètres instrumentaux du radar de Cassini Simulations Estimations des performances de l’instrument Rodriguez Sébastien - Soutenance de Thèse – L3AB – 24 Octobre 2003 7

Plan Introduction 2. Catalogue des paramètres nécessaires pour les simulations radars - Distribution des aérosols et nature de la surface de Titan - Caractérisation diélectrique 3. Tests de performance de l’instrument radar de Cassini - Transmission atmosphérique - Rétrodiffusion de surface 4. Application à la simulation simplifiée du mode altimètre dans le cas d’une atmosphère nuageuse 5. Conclusion et perspectives Rodriguez Sébastien - Soutenance de Thèse – L3AB – 24 Octobre 2003 8

Profils de rayon, concentration Collecte des paramètres pour les simulations radars (1) Propriétés atmosphériques et surfaciques de la matière condensée Profils de rayon, concentration des aérosols Simulations Rodriguez Sébastien - Soutenance de Thèse – L3AB – 24 Octobre 2003 9

Sélection de 9 scénarios de distribution verticale des brumes de Titan Les aérosols de Titan : synthèse bibliographique Sélection de 9 scénarios de distribution verticale des brumes de Titan 2 groupes : 1. Scénarios « secs » Aérosols de la haute et basse stratosphère : entre 450 et 90 km Extrapolation jusqu’à la surface kilomètres Pression 2. Scénarios « humides » Aérosols + condensation basse strato- et troposphere : entre 90 km et surface Rodriguez Sébastien - Soutenance de Thèse – L3AB – 24 Octobre 2003 10

Scénarios « secs » : multi-couches homogènes estimation de <r> et <C> structures verticales à grande échelle des brumes ajustement au 1er ordre des données photométriques et polarimétriques (Voyager) à l’aide de modèles de brumes uniformes et multi-couches uniformes Couches détachées Couche principale Rodriguez Sébastien - Soutenance de Thèse – L3AB – 24 Octobre 2003 11

Scénarios « secs » : brumes hétérogènes  scénarios hétérogènes de brumes tirés de modèles microphysiques de croissance d’aérosols Nécessité de réconcilier les désaccords qui subsistaient entre les différentes observations Voyager McKay et al. (1989) Cabane et al. (1992) Rodriguez Sébastien - Soutenance de Thèse – L3AB – 24 Octobre 2003 12

Ajout d’une couche de nuages aux scénarios de brumes classiques Scénarios « humides » : nuage homogène de méthane McKay et al. (1989) Ajout d’une couche de nuages aux scénarios de brumes d’aérosols précédents Ajout d’une couche de nuages aux scénarios de brumes classiques Propriétés du nuage Toon et al. (1988) et Courtin et al. (1995) extension 10 < z < 30 km Rayon des gouttes r = 2 mm Concentration 10 < C < 1000 m-3 Propriétés du nuage Toon et al. (1988) et Courtin et al. (1995) extension 10 < z < 30 km Rayon des gouttes 50 m < r < 3 mm Concentration 2 < C < 6500 m-3 Scénarios semi-homogènes Cabane et al. (1992) Rodriguez Sébastien - Soutenance de Thèse – L3AB – 24 Octobre 2003 13

Scénarios « humides » : nuage hétérogène d’hydrocarbures  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 HC3N HCN C3H8 C2 CH4 Rodriguez Sébastien - Soutenance de Thèse – L3AB – 24 Octobre 2003 14

Profils de rayon, concentration Collecte des paramètres pour les simulations radars (2) Propriétés atmosphériques et surfaciques de la matière condensée Profils de rayon, concentration des aérosols Nature de la surface Simulations Rodriguez Sébastien - Soutenance de Thèse – L3AB – 24 Octobre 2003 15

Hypothèses sur la composition de surface observations dans les fenêtres infrarouges du méthane  fortement hétérogène : pas d’océan global d’hydrocarbures  constituée de roches silicatées totalement ou partiellement recouvertes d’un mélange de glaces d’eau, de NH3, d’hydrocarbures et d’une couche d’aérosols Carte de brillance infrarouge HST (Smith et al. (1996)) d’après Elachi et al. (1991) Rodriguez Sébastien - Soutenance de Thèse – L3AB – 24 Octobre 2003 16

Collecte des paramètres pour les simulations radars (3) Propriétés atmosphériques et surfaciques de la matière condensée Modèle diélectrique Recherche de valeurs de constantes diélectriques disponibles Profils de rayon, concentration des aérosols Nature de la surface Simulations Rodriguez Sébastien - Soutenance de Thèse – L3AB – 24 Octobre 2003 17

Matériaux d’intérêt pour Titan Méthane pur liquide (94 K) r = 1.7 + 0.015j Mélange d’hydrocarbures liquide (~100 K) r = 1.8 + 0.002j r = 3.1 + 0.0001j Glace d’eau (88-273 K) Mélange solide H2O-NH3 (~77 K) r = 4.5 + 0.0001j Mélange solide CH4-C2H6 (~90 K) r = 2-2.4 + 0.0001j Silicates (~100 K) r = 8.6 + 0.09j Analogues d’aérosols (tholins) ? Rodriguez Sébastien - Soutenance de Thèse – L3AB – 24 Octobre 2003 18

Collecte des paramètres pour les simulations radars (4) Propriétés atmosphériques et surfaciques de la matière condensée Modèle diélectrique Recherche de valeurs de constantes diélectriques disponibles Caractérisation diélectrique expérimentale des tholins Profils de rayon, concentration des aérosols Nature de la surface Simulations Rodriguez Sébastien - Soutenance de Thèse – L3AB – 24 Octobre 2003 19

La synthèse des tholins Simulation de l’atmosphère de Titan Mélange N2-CH4 (98:2) à  2 mbars (300 km)  Production de 70 molécules  et de « tholins »  3 échantillons Rodriguez Sébastien - Soutenance de Thèse – L3AB – 24 Octobre 2003 20

Caractérisation diélectrique 2.45 GHz (12.2 cm) Expériences en cavités résonantes 10 GHz (3 cm) Perturbation d’une onde plane stationnaire par l’introduction d’une tige recouverte de tholins (LISA)  le décalage de la fréquence de résonance  atténuation du signal  ’ et ’’  r = 2.2 + 0.05 j  20 % Rodriguez Sébastien - Soutenance de Thèse – L3AB – 24 Octobre 2003 21

Caractérisation diélectrique : Synthèse Modèles diélectriques pour l’atmosphère et la surface de Titan Rodriguez Sébastien - Soutenance de Thèse – L3AB – 24 Octobre 2003 22

Plan Introduction 2. Catalogue des paramètres nécessaires pour les simulations radars - Distribution des aérosols et nature de la surface de Titan - Caractérisation diélectrique 3. Tests de performance de l’instrument radar de Cassini - Transmission atmosphérique - Rétrodiffusion de surface 4. Application à la simulation simplifiée du mode altimètre dans le cas d’une atmosphère nuageuse 5. Conclusion et perspectives Rodriguez Sébastien - Soutenance de Thèse – L3AB – 24 Octobre 2003 23

Tests de performance Simulations Propriétés atmosphériques et surfaciques de la matière condensée Modèle diélectrique Recherche de valeurs de constantes diélectriques disponibles Caractérisation diélectrique expérimentale des tholins Profils de rayon, concentration des aérosols Nature de la surface Paramètres instrumentaux du radar de Cassini pour une géométrie simplifiée Simulations λ, θ, ne0 Estimations des performances du mode imageur Rodriguez Sébastien - Soutenance de Thèse – L3AB – 24 Octobre 2003 24

Simulation de transmission atmosphérique Bilan radiatif 1-D 1. Calcul par diffusion Rayleigh et Mie de l’atténuation introduite par la traversée d’une couche d’atmosphère r(z), C(z), (z) 2. Addition de toutes les couches Rodriguez Sébastien - Soutenance de Thèse – L3AB – 24 Octobre 2003 25

Simulations de transmission atmosphérique : résultats Scénarios « humides » Scénarios « secs » Rodriguez Sébastien - Soutenance de Thèse – L3AB – 24 Octobre 2003 26

Simulations de rétrodiffusion de surface Estimation du coefficient de rétrodiffusion pour des surfaces lisses et des surfaces rugueuses Rodriguez Sébastien - Soutenance de Thèse – L3AB – 24 Octobre 2003 27

Simulation de rétrodiffusion de surface Deux modèles de rétrodiffusion suivant la rugosité de la surface considérée Surface lisse Mode imageur surfaces rugueuses : retour faible mais détectable  surfaces lisses : zones sombres sur les images Surface rugueuse Rodriguez Sébastien - Soutenance de Thèse – L3AB – 24 Octobre 2003 28

Tests de performance : synthèse  Une atmosphère uniquement composée de brumes d’aérosols sera totalement transparente pour le mode imageur de Cassini  Pas d’ambiguïté pour l’interprétation des images de surface  La présence de nuages de condensation dans la basse atmosphère pourrait engendrer une très forte atténuation et suffirait pour masquer la surface  Dommageable pour l’analyse des données de l’imageur Rodriguez Sébastien - Soutenance de Thèse – L3AB – 24 Octobre 2003 29

Plan Introduction 2. Catalogue des paramètres nécessaires pour les simulations radars - Distribution des aérosols et nature de la surface de Titan - Caractérisation diélectrique 3. Tests de performance de l’instrument radar de Cassini - Transmission atmosphérique - Rétrodiffusion de surface 4. Application à la simulation simplifiée du mode altimètre dans le cas d’une atmosphère nuageuse 5. Conclusion et perspectives Rodriguez Sébastien - Soutenance de Thèse – L3AB – 24 Octobre 2003 30

Fonctionnement du mode altimètre Mode pulsé Fréquence centrale 13.78 GHz Puissance 63 W Angle de visée Nadir (0°) PRF 4,7-5,6 kHz Largeur du pulse 150 µs Largeur de bande 4250 kHz ne0 25 dB Détermination de la distance antenne/cible par la mesure du temps de propagation aller-retour de l’impulsion : R = ct/2 Rodriguez Sébastien - Soutenance de Thèse – L3AB – 24 Octobre 2003 31

Impact des nuages sur la forme du pulse altimètre Simulations 1-D de rétrodiffusion volumique du pulse altimètre Impact des nuages sur la forme du pulse altimètre  expression de la convolution entre la forme du pulse envoyé u(t) et d’une fonction caractéristique du milieu rencontré f(t) Rodriguez Sébastien - Soutenance de Thèse – L3AB – 24 Octobre 2003 32

Fonction caractéristique du nuage homogène Couche de nuages homogène Propriétés du nuage Toon et al. (1988) et Courtin et al. (1995) extension surface < z < 100 km Rayon des gouttes r = 2 mm Concentration C = 10 m-3 Fonction caractéristique du nuage homogène Rodriguez Sébastien - Soutenance de Thèse – L3AB – 24 Octobre 2003 33

Couche nuageuse homogène : résultats Le pulse rétrodiffusé nous donne des informations sur : La distance entre l’orbiteur et le sommet de la couche de nuage L’épaisseur du nuage Couple rayon/concentration Rodriguez Sébastien - Soutenance de Thèse – L3AB – 24 Octobre 2003 34

Fonction caractéristique de nuages hétérogènes Couche nuageuse hétérogène Fonction caractéristique de nuages hétérogènes Rodriguez Sébastien - Soutenance de Thèse – L3AB – 24 Octobre 2003 35

Couche nuageuse hétérogène : résultats Rodriguez Sébastien - Soutenance de Thèse – L3AB – 24 Octobre 2003 36

Application météorologique : radar pluie Rodriguez Sébastien - Soutenance de Thèse – L3AB – 24 Octobre 2003 37

Carte de réflectivité radar Carte de l’amplitude rétrodiffusée dans le cas d’un récepteur idéal Rodriguez Sébastien - Soutenance de Thèse – L3AB – 24 Octobre 2003 38

Carte de détectabilité Carte de détectabilité pour l’altimètre de Cassini nuage Rodriguez Sébastien - Soutenance de Thèse – L3AB – 24 Octobre 2003 39

Plan Introduction 2. Catalogue des paramètres nécessaires pour les simulations radars - Distribution des aérosols et nature de la surface de Titan - Caractérisation diélectrique 3. Tests de performance de l’instrument radar de Cassini - Transmission atmosphérique - Rétrodiffusion de surface 4. Application à la simulation simplifiée du mode altimètre dans le cas d’une atmosphère nuageuse 5. Conclusion et perspectives Rodriguez Sébastien - Soutenance de Thèse – L3AB – 24 Octobre 2003 40

Conclusions Tests de performance du mode imageur La prise en compte de l’atmosphère de Titan ne peut être totalement écartée : notamment dans le cas d’une atmosphère nuageuse - Ecrantage atmosphérique - Ambiguïté pour l’interprétation des zones sombres sur les images SAR Simulation simplifiée du mode altimètre Grâce à l’étude de la forme du pulse rétrodiffusé, il serait possible de retirer des informations sur cette couche nuageuse : épaisseur, propriétés des gouttes … Rodriguez Sébastien - Soutenance de Thèse – L3AB – 24 Octobre 2003 41

Perspectives Travail de simulation purement préparatoire Utilité Liberté de pouvoir explorer un espace des paramètres étendu Réponse aux questions : - quel sera l’impact de l’atmosphère 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 d’inversion 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 Rodriguez Sébastien - Soutenance de Thèse – L3AB – 24 Octobre 2003 42

MERCI A TOUS

introduction

Suppléments

Titan : généralités Titan Image prise par la sonde Voyager 2 (1981)  NASA/JPL 31 satellites connus de forme, taille et composition d’une extrême variété Titan est de loin le plus grand satellite de Saturne et le seul à posséder une atmosphère Saturne Saturne et Titan vus par Cassini (Octobre 2002)  NASA/JPL Rodriguez Sébastien - Soutenance de Thèse – L3AB – 24 Octobre 2003 4

L’instrument Radar Antenne de télécommunication (Ø 3.66 m) (antenne à grand gain) Foyer secondaire Rodriguez Sébastien - Soutenance de Thèse – L3AB – 24 Octobre 2003 5

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

© NASA/JPL

Simulation de transmission atmosphérique Rodriguez Sébastien - Soutenance de Thèse – L3AB – 24 Octobre 2003 27