Analyse des spectres infrarouges thermiques émis par l'atmosphère de Titan enregistrés par l'instrument CASSINI/CIRS

Analysis of the titan atmosphere infrared spectra acquired by the Cassini/Cirs instrument

• Auteur / Autrice : Sandrine Vinatier
• Direction : Bruno Bézard
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Astrophysique et instrumentations associées
• Date : Soutenance en 2007
• Etablissement(s) : Paris 7

Mots clés

Mots clés contrôlés

Titan (satellite de Saturne) -- Atmosphère

Spectres infrarouges

Planétologie

Résumé

Le travail de cette thèse porte sur l'analyse des spectres infrarouges thermiques de l'atmosphère de Titan enregistrés par l'instrument CIRS à bord de la sonde Cassini. L'objectif est d'inverser les distributions verticales de la température et des abondances des espèces minoritaires entre 100 et 500 km à plusieurs latitudes afin d'en étudier les variations latitudinales. L'instrument CIRS (Composite InfraRed Spectrometer), est un spectromètre infrarouge à transformée de Fourier observant dans la gamme spectrale 10-1400 cm-1 qui présente de nombreuses signatures spectrales dues aux bandes de rotation-vibration de CH4, C2H2, C2H4, C2H6, CH3C2H, C3H8, C4H2, C6H6, HCN, HC3N et CO2. Les intensités de ces bandes dépendent à la fois de la température et de l'abondance de ces constituants. Il est donc nécessaire de connaître le profil de température avant de déduire les abondances des différents constituants. Le profil de température est déduit de l'intensité de la bande nu4 de CH4 centrée à 1305 cm-1. En effet, l'abondance de CH4 est connue et a été mesurée in situ par la sonde Huygens. En utilisant cette abondance et en modélisant les spectres observés, il est possible d'en déduire la température. Pour cela, nous utilisons un code d'inversion qui résout l'équation de transfert radiatif en utilisant simultanément plusieurs spectres acquis avec une géométrie au limbe et au nadir et sondant différentes altitudes. Il est ainsi possible d'inverser le profil de température à une latitude donnée. J'ai effectué ce travail pour cinq latitudes :56°S, 13°S, 56°N, 82°N et83°N, ceci fait l'objet de la Partie II de ce manuscrit. J'ai ensuite utilisé ces profils de température inversés pour déduire, aux mêmes latitudes, les profils d'abondance des molécules minoritaires citées ci-dessus. Celles-ci émettent principalement dans la gamme 600-1100 cm-1. Pour cela, j'utilise un algorithme d'inversion combinant à la fois les spectres au limbe et au nadir afin d'en déduire les profils d'abondance. Ce travail et les résultats sont décrits dans la Partie III. Une comparaison avec les observations et les prédictions de modèles photochimiques est présentée. Enfin, la dernière partie de cette thèse est consacrée à l'étude des rapports isotopiques 13C/12C et 15N/14N dans le HCN, ainsi que le rapport D/H mesuré dans C2H2. Les résultats obtenus pour différentes latitudes, ainsi que leurs implications concernant l'atmosphère de Titan sont présentés.

This work is focused on the analysis of thermal infrared spectra of Titan's atmosphere acquired by the Cassini/CIRS instrument. The objective is the retrieval of the vertical distributions of atmospheric temperatures and abundances of trace constituants in the 100-500 km range at several latitudes in order to infer their latitudinal variations. The CIRS (Composite InfraRed Spectrometer) instrument is a Fourier transform infrared spectrometer recording spectra in the 10-1400 cm-1 spectral range, which exhibits numerous spectral signatures from the rovibrational bands of CH4, C2H2, C2H4, C2H6, CH3C2H, C3H8, C4H2, C6H6, HCN, HC3N et CO2. The intensifies of these bands depend on both the temperature and the abundance of the molecules. It is then necessary to retrieve the vertical temperature profile prior to the abundance vertical profiles. We deduce the thermal profile by using the nu4 methane band, centered at 1305 cm-1. The methane abundance has been mesured by the GCMS instrument aboard the Huygens probe. By using this abundance and by modeling the observed spectra, we are able to retrieve the temperature at a given latitude. For this purpose, we use an inversion algorithm that solves the radiative tranfer equation using simultaneously nadir and limb spectra, each probing a different altitude. This work was done for five latitudes : 56°S, 13°S, 56°N, 82°N and 83°N, and is described in Part II of this manuscript. The inverted vertical temperature profiles are then used to retrieve, at the same latitudes, the vertical mixing ratio profiles of the above-mentioned molecules, which mainly emit in the spectral range 600-1400 cm-1. We use an inversion algorithm combining both nadir and limb spectra to retrieve the vertical abundance profiles. This work and the results are detailed in Part III. The last part of the work presented here is dedicated to the studies of the 13C/12C et 15N/14N isotopic ratios in HCN, and the D/H ratio measured in C2H2. Results obtained at several latitudes and their implications concerning the Titan atmosphere are described in Part IV.