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Aerosol and ozone retrieval in the Martian atmosphere using the SPICAM/UV instrument and algorithm preparation for future missions

par Willame, Yannick
Président du jury Herman, Michel
Promoteur Coheur, Pierre
Co-Promoteur Vandaele, Ann Carine
Publication Non publié, 2015-11-05

Thèse de doctorat

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Résumé :

Mars is the fourth planet of the Solar System starting from the Sun. Compared to Earth, Mars has an atmosphere that is significantly thinner and undergoes also a seasonal cycle that is more marked. A Martian year lasts about two terrestrial years. One of the particularity of the Martian atmosphere is the continuous presence of an airborne dust layer.SPICAM is an instrument on board the Mars-Express satellite orbiting around Mars since the end of 2003. This instrument is divided in two modules: SPICAM/IR, a infrared spectrometer (1.0 - 1.7 µm) and SPICAM/UV, a spectrometer working in the ultraviolet range (106 - 317 nm). In this work, we have analysed the SPICAM/UV measurements that have been recorded in nadir viewing and in the spectral interval between 220 and 290 nm.The analysis of this spectral domain allows to study different species and constituents of the Martian atmosphere such as ozone, dust and ice clouds. In the frame of this work, we have developed a method capable of inverting the SPICAM spectra obtained in nadir viewing in order to simultaneously retrieve the integrated quantities of these different species i.e. the ozone total column, and the integrated optical depths of dust and ice clouds. The method is based on a radiative transfer code that allows to take into account the scattering of light by the different molecules and aerosols of the Martian atmosphere. The surface reflectivity is also considered and is retrieved in the cases where no ice clouds are present in the observed scenes, ice clouds reducing the sensitivity in the surface albedo. Therefore, a cloud detection algorithm has been developed and its results were compared with results obtained with other methods and instruments for validation.Our method has been used to invert the data measured by SPICAM/UV over more than four Martian years which allowed to obtain climatologies of the different studied species: the spatial and seasonal distributions of the ozone column, the optical depths of dust and ice clouds and also the surface albedo are presented in this work. These distributions are discussed and compared to those obtained in previous works obtained with other instruments.This work is also a preparation for the future measurement analysis of the NOMAD/UVIS, an instrument that will be on board the ExoMars Trace Gas Orbiter which is planned to be launched in the beginning of 2016. The algorithm developed in this thesis has also been used to assess performances of NOMAD/UVIS such as the detection limits of particular gases (O3, SO2 et NH3) and the values of the signal-to-noise ratio.

Mars est la quatrième planète du Système Solaire en partant du Soleil. Comparée à la Terre, Mars se caractérise par une atmosphère significativement plus ténue, et possède également un cycle annuel des saisons plus marqué. Une année martienne dure environ deux années terrestres. Une des particularités de l'atmosphère de Mars réside en la présence persistante d'une couche de poussière en suspension.SPICAM est un instrument embarqué à bord du satellite Mars-Express qui orbite autour de Mars depuis fin 2003. Il comprend deux modules: SPICAM/IR, un spectromètre infrarouge (1.0 - 1.7 µm) et SPICAM/UV, un spectromètre opérant dans le domaine ultraviolet (106 - 317 nm). Dans le cadre de ce travail, nous avons analysé les mesures de SPICAM/UV obtenues en visée nadir dans l'intervalle spectral s'étendant de 220 à 290 nm.L'analyse de ce domaine spectral permet d'étudier différentes espèces ou constituants de l'atmosphère martienne telles que l'ozone, les poussières ainsi que les nuages de glace. Dans le cadre de ce travail, nous avons développé une méthode capable d'inverser les spectres SPICAM/UV en visée nadir afin de restituer simultanément les quantités intégrées de ces différentes espèces, à savoir la colonne totale d'ozone ainsi que l'opacité intégrée des poussières et des nuages. Cette méthode est basée sur un code de transfert radiatif, permettant de tenir compte de la diffusion de la lumière par les particules en suspension dans l'atmosphère martienne. La réflectivité de la surface martienne est également étudiée et restituée pour les cas où aucun nuage n'est présent dans les scènes observées, les nuages réduisant la sensibilité en l'albédo de surface. Pour ce faire, un algorithme de détection des nuages a été développé et ses résultats ont été comparés avec les résultats obtenus par d'autres méthodes et instruments afin de le valider.Notre méthode d'inversion a été utilisée pour analyser les données recueillies par SPICAM/UV pendant plus de 4 années martiennes, permettant d'obtenir une climatologie des différentes espèces étudiées: des distributions spatiales et saisonnières de la colonne d'ozone, de l'opacité des poussières et nuages de glace ainsi que de l'albédo de surface sont présentées dans ce travail. Ces distributions sont discutées et comparées à celles obtenues dans des travaux antérieurs à l'aide d'autres instruments.Ce travail constitue également une préparation en vue de l'analyse des données de l'instrument NOMAD/UVIS, supervisé par l'IASB-BIRA, et qui sera lancé à bord de la sonde ExoMars Trace Gas Orbiter en direction de Mars au début de l'année 2016. L'algorithme développé dans ce travail a notamment été utilisé pour l'estimation de performances de NOMAD/UVIS telles que les limites de détection de certains gaz (O3, SO2 et NH3) ou encore les valeurs du rapport de signal-sur-bruit.