Étude des variations saisonnières dans la moyenne atmosphère de Titan à partir des données Cassini/CIRS

Study of seasonal variations in the middle atmosphere of Titan from Cassini/CIRS data

• Auteur / Autrice : Christophe Mathe
• Direction : Bruno Bézard, Sandrine Vinatier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Astronomie et Astrophysique
• Date : Soutenance le 06/09/2019
• Etablissement(s) : Paris Sciences et Lettres (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Astronomie et astrophysique d'Île-de-France (Meudon, Hauts-de-Seine ; 1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'études spatiales et d'instrumentation en astrophysique (Meudon, Hauts-de-Seine ; 2002-....) - Laboratoire d'Etudes spatiales et d'instrumentation en astrophysique
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Observatoire de Paris (1667-....)
• Jury : Président / Présidente : Alain Vienne
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Bruno Bézard, Sandrine Vinatier, Véronique Vuitton, Cyril Crevoisier, Sébastien Lebonnois, Pascal Rannou
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Véronique Vuitton, Cyril Crevoisier

Mots clés

Mots clés contrôlés

Spectroscopie infrarouge

Climatologie

Titan (satellite de Saturne) -- Atmosphère

Mots clés libres

Inversion

Climat

Titan

Atmosphère

Infrarouge

Inversion

Climate

Titan

Atmosphere

Infrared

Résumé

Cette thèse présente mes travaux sur l’étude des changements saisonniers dans la moyenne atmosphère de Titan à partir des données du spectromètre infrarouge CIRS (Composite InfraRed Spectrometer) à bord de la sonde Cassini (fin de mission en septembre 2017). Pendant mes trois ans de thèse, je me suis concentré sur les changements saisonniers des profils verticaux de température et d’abondance des composés photochimiques présents dans l’atmosphère de Titan, à toutes les latitudes, pour des altitudes sondées entre 100 et 550 km, et allant du milieu de l’hiver nord jusqu’au début de l’été nord. L’étude de ces profils verticaux permet de contraindre la dynamique et la chimie atmosphérique.Les données analysées durant la thèse proviennent du spectromètre infrarouge à transformée de Fourier CIRS, entre 590 et 1500 cm-1. Dans cette plage spectrale, les spectres infrarouges présentent les bandes de ro-vibration des composés photochimiques : CH4, C2H2, C2H4, C2H6, CH3C2H, C3H8, C4H2, C6H6, CO2, HCN et HC3N. L’intensité des bandes de ro-vibration d’un composé photochimique dépend à la fois de la température de l’atmosphère et de l’abondance du composé photochimique. Cette double dépendance induit donc une incertitude sur les profils verticaux de températures et d’abondances retrouvés. En supposant que le profil vertical du méthane est constant en latitude et égal à celui mesuré in situ par l’instrument GCMS de la sonde Huygens, nous déterminons dans un premier temps le profil de température à partir de la bande ν4 du méthane centrée à 1305 cm-1. Puis nous déterminons les profils d’abondance des composés photochimiques avec le profil de température déterminé précédemment.Les données analysées ont une géométrie dite au limbe : le spectre infrarouge sonde principalement une couche de l’atmosphère dont l’altitude est la distance minimale de la ligne de visée à la surface. Cette géométrie au limbe permet un échantillonnage vertical des profils d’environ 10 à 40 km (dépendant de la distance entre la sonde et Titan) entre 100 et 550 km d’altitude.La détermination de ces différents profils est effectuée avec un code de transfert radiatif raie-par-raie, modélisant des spectres infrarouges à différentes altitudes, couplé à une méthode d’inversion linéaire contrainte, qui modifie itérativement soit le profil de température soit le profil d’abondance afin de réduire l’écart entre le spectre observé et le spectre modélisé.Pour contraindre au mieux les changements saisonniers de la moyenne atmosphère de Titan, j’ai analysé 56 jeux de données sur les 127 survols effectués par la sonde Cassini. Sont tout d’abord présentés les résultats au niveau des pôles qui montrent d’importantes variations saisonnières en termes de température et d’abondances. Ces variations sont dues à la présence du vortex polaire qui se forme durant l’hiver et qui s’évanouit au printemps. Je montre ensuite les résultats au niveau de l’équateur et des moyennes latitudes qui présentent de faibles variations saisonnières. Ces profils verticaux sont peu impactés par la dynamique atmosphérique, et sont donc comparables aux modèles photochimiques à une dimension qui ne prennent pas en compte la circulation atmosphérique.Enfin, une dernière partie traite des variations des rapports isotopiques 12C/13C et 14N/15N dans HCN en utilisant les résultats précédents de températures et d’abondances.

This thesis presents my work on the study of seasonal changes in the middle atmosphere of Titan using data from the infrared spectrometer CIRS (Composite InfraRed Spectrometer) aboard the Cassini spacecraft (end of mission in September 2017). During my three years of Ph.D., I focused my study on seasonal changes of the vertical profiles of temperature and abundance of photochemical compounds in Titan’s middle atmosphere, at all latitudes, between 100 and 550 km altitude, and from the middle of the northern winter to the early northern summer. The study of these vertical profiles allows us to constrain the atmospheric dynamics and chemistry.I analyzed data from the Fourier-transform infrared spectrometer CIRS, and I focused my study on infrared spectra between 590 and 1500 cm-1. In this spectral range, infrared spectra show ro-vibrational bands of photochemical compounds: CH4, C2H2, C2H4, C2H6, CH3C2H, C3H8, C4H2, C6H6, CO2, HCN and HC3N. The intensity of the ro-vibrational bands of a molecule depends both on temperature and abundance of the compound. This double dependency leads to some uncertainty on the thermal and abundance vertical profiles retrieved. Assuming that methane (CH4) abundance profile is constant with latitude and using that measured in situ by the GCMS instrument aboard the Huygens probe, we determine the temperature vertical profile from the ν4 band of methane centered at 1305 cm-1. Then we determine the abundance profiles of photochemical compounds using the temperature vertical profile retrieved previously.The data we used have a limb geometry: the infrared spectrum mostly probes an atmospheric layer at an altitude equal to that of the line-of-sight above the surface. This limb geometry yields a vertical resolution around 10 to 40 km (depending on the distance between the spacecraft and Titan) between 100 and 550 km altitude.I used a line-by-line radiative transfer code, modeling infrared spectra at different altitudes, coupled to a constrained linear inversion method that adjusts either the temperature profile or abundance profile in order to reduce the discrepancy between the observed spectrum and the modeled spectrum.To constrain the seasonal changes in the middle atmosphere of Titan, I have analyzed 56 datasets over the 127 flybys performed by the Cassini spacecraft. I first present and discuss results at the polar regions which present strong seasonal changes of temperature and abundances. These changes are due to the existence of a polar vortex that forms during the winter and vanishes during the spring. I then discuss results in equatorial and mid-latitude regions which present weak seasonal changes. These vertical profiles of temperature and abundances are less affected by the atmospheric dynamics, and they can be compared with one-dimensional photochemical models that do not account for the atmospheric circulation.The last part deals with the seasonal changes of 12C/13C and 14N/15N isotopic ratios in HCN, using prior results of temperature and abundances.