Les condensats saisonniers de Mars : étude expérimentale de la formation et du métamorphisme de glaces de CO2

Seasonal condensates on Mars : experimental study of CO2 ices formation and metamorphism.

• Auteur / Autrice : Florence Grisolle
• Direction : Bernard Schmitt, Pierre Beck
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de la terre et de l'univers, et de l'environnement
• Date : Soutenance le 20/12/2013
• Etablissement(s) : Grenoble
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la terre, de l’environnement et des planètes (Grenoble ; 199.-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de planétologie et d'astrophysique de Grenoble
• Jury : Président / Présidente : François Costard
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Paul Duval, Antoine Pommerol
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : François Forget, Cathy Quantin-Nataf

Mots clés

Mots clés libres

Mars

Glace de CO2

Dépôts saisonniers

Thermodynamique

Spectroscopie

Métamorphisme

Mars

CO2 ice

Seasonal deposits

Thermodynamics

Spectroscopy

Metamorphism

Résumé

Le cycle climatique actuel de Mars entraîne la formation d'une couche de condensats saisonniers à la surface des régions de hautes latitudes pendant la nuit polaire ; elle sublime au printemps avec le retour de l'insolation. Les instruments spatiaux ont fourni de nombreuses informations sur l'évolution spatio-temporelle et les propriétés thermodynamiques de ces dépôts, composés majoritairement de CO2. Le but de cette thèse est de compléter leur étude par une approche expérimentale visant à améliorer leur caractérisation et à connaître la microphysique associée. La conception d'un dispositif expérimental CARBON-IR a permis l'étude d'analogues dans un environnement contrôlé. Les expériences sur des échantillons de CO2, à l'équilibre ou non, ont abouti à des condensats avec diverses tailles de grains (de la dizaine de microns à plusieurs millimètres) et porosités (de 0 à 50% environ). Les spectres en réflectance associés montrent des différences caractéristiques. Des slabs compacts de glace de CO2, translucides ou transparents, ont été obtenus par métamorphisme d'une couche de neige poreuse ou par condensation directe. Les bilans de flux thermiques renseignent sur les apports calorifiques du dispositif expérimental à l'échantillon et les processus de sublimation-condensation que subit celui-ci, via des transports de matière et d'énergie qui peuvent s'effectuer à travers la porosité. L'application de contraintes thermodynamiques aux échantillons de CO2 permet de déterminer leur évolution vis-à-vis de paramètres ciblés. Les résultats améliorent la compréhension des évolutions microphysiques des condensats saisonniers en réponses aux conditions thermiques locales à la surface de Mars. Les résultats expérimentaux mis en parallèle avec les observations martiennes aideront à l'interprétation de ces dernières, tout comme ils permettront de mieux contraindre les modèles de transfert radiatif et les GCM.

The current climate of Mars causes the formation of seasonal consendates on the surface of high-latitude regions during the polar night. This layer sublimates when exposed to sun in spring. Spatial instruments have enabled to study the spatial and temporal evolution and thermodynamic properties of ther CO2-mainly deposits. The aim of this thesis is to supplement this research by laboratory experimentation in order to improve the knowledge of the condensates properties and microphysical process. An experimental set-up, CARBON-IR, has been conceived to manipulate analogous ices in controlled environment. The experiments on CO2, at equilibrium or nonequilibrium, create various grainsize (from about ten microns to several millimeters) and porosity (from 0 to 50% approximately) condensates. The corresponding near-infrared reflectance spectra show specific differences. Compact CO2 slab ices, transluscent or with highly transparency, can be formed by thermal metamorphism of porous snow or by direct condensation of gas. Thermal fluxes balance in the system highlights heat fluxes supplied by the set-up to the sample and the sublimation-condensation process ocurring in it, with matter and energy transfers through the porosity. Thermal and pressure constraints on the ice samples enable to determine the evolution according to of specific parameters, and therefore to comprehend the seasonal condensates microphysic evolution associated with local thermal conditions on Mars polar regions. Accuracy of radiative transfer models and GCM, as well as interpretation of Martian monitoring data will be improved by the confrontation with the experimental results.