Étude topographique, géomorphologique et hydrologique d’un paysage fluvial à l’équateur du plus gros satellite de Saturne, Titan

Topographic, geomorphological and hydrological study of a river landscape at the equator of Saturn's largest moon, Titan

• Auteur / Autrice : Chloé Daudon
• Direction : Sébastien Rodriguez, Stéphane Jacquemoud
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de la terre et de l'environnement
• Date : Soutenance le 03/11/2020
• Etablissement(s) : Université Paris Cité
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la terre et de l'environnement et physique de l'univers (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : UMR-Institut de physique du globe de Paris (2005-....)
• Jury : Président / Présidente : François Métivier
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Athéna Coustenis, Ewelina Rupnik
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Stéphane Le Mouëlic, Stéphane Bonnet

Mots clés

Mots clés contrôlés

Hydrologie

Géomorphologie

Mission Huygens

Titan (satellite de Saturne)

Mots clés libres

Titan

Huygens

Rivières

MNT

Précipitation

Géomorphologie

Hydrologie

Paysages

Titan

Huygens

Rivers

DTM

Precipitation

Geomorphology

Hydrology

Landscapes

Résumé

Titan, le plus gros satellite de Saturne, est un corps atypique dans le Système solaire. A commencer par sa taille planétaire, plus grande que Mercure, son atmosphère riche et dense, principalement composée de méthane et de diazote, permettant l'existence d'un cycle du méthane, similaire au cycle de l'eau sur Terre. Des vallées fluviales y ont été observées à toutes les latitudes grâce à la mission Cassini-Huygens (2004-2017). Tout comme l'eau sur Terre, le méthane liquide creuse le substrat pour former des réseaux de rivières complexes, observés dans les images acquises près de l'équateur par la sonde Huygens. Ces rivières jouent un rôle majeur dans la formation et la dynamique des paysages. L'objectif de cette thèse est de contraindre le contexte géomorphologique et climatique de mise en place de ces rivières. Cette étude est centrée sur le réseau de rivières proche du site d'atterrissage de la sonde Huygens, car il s'agit du paysage le plus résolu de la surface de Titan observé à ce jour. La réalisation d'un modèle numérique de terrain (MNT) a tout d'abord été effectuée grâce à la mise en place d'une nouvelle stratégie de reconstruction de la topographie permettant d'outrepasser la complexité du jeu de données disponible (qualité médiocre des images et géométrie d'acquisition non optimale). Ce MNT a ensuite été exploité pour analyser le paysage fluvial au travers de critères de caractérisation morphologique (indices de concavité et distribution des pentes) afin d'en extraire une signature climatique. Enfin, les taux de précipitations requis pour former ces rivières ont été calculés grâce à la théorie de la rivière au seuil. Cette étude montre que les paysages fluviaux proches du site d'atterrissage de la sonde Huygens sont soumis à un climat aride. Les rivières se forment lors d'évènements pluvieux rares et modérés (avec des taux de précipitation instantané de moins de 5 mm/h), conditions compatibles avec les observations de Cassini et les prédictions des modèles de climat actuels pour les régions équatoriales de Titan. En comparaison avec la Terre, il apparaît enfin que des débits de méthane liquide plus faibles, et donc des taux de précipitations moins élevés, sont nécessaires pour former des rivières de taille équivalente. Un certain nombre de ces résultats (notamment les taux de précipitations moyens et instantanés) pourra être vérifié par la future mission d'exploration « in situ » de Titan, Dragonfly, dont l'arrivée est prévue en 2034.

Titan, Saturn's largest moon, presents unique characteristics in the Solar System. First it has a huge size, larger than Mercury; a rich and dense atmosphere, mostly composed of methane and dinitrogen, allows the presence of a methane cycle, similar to the water cycle on Earth. River valleys have been observed on Titan at all latitudes by the Cassini-Huygens mission (2014-2017). Just like water on Earth, liquid methane carves into the substrate to form a complex network of rivers, particularly stunning in the images acquired near the equator by the Huygens probe. This thesis aims at better understanding the geomorphological and climate processes at work that form these landscapes. Because the Huygens landing site offers the best images in terms of resolution, this study is focused on this region. We first build a Digital Terrain Model (DTM) following a new protocol of 3D reconstruction that overcomes limitations due to data complexity and flaws (unusual geometric configuration). Thanks to this reconstruction, landscape analysis through morphological criteria has been conducted using concavity index and slopes distribution. Finally, the threshold theory is used to trace back the methane rainfall rates needed to form the rivers. Results suggest that rivers close to the Huygens landing site are subject to an arid climate. Those rivers come from rare and moderate rainfalls (instantaneous rates are inferior to 5 mm/h), that match Cassini’s observations and known current climate model predictions for equatorial regions of Titan. Comparing Titan and Earth river formations show that smaller methane flow rates, thus smaller rainfall rates, are needed on Titan to form rivers of shapes and sizes similar to rivers formed on Earth from water. Some of these results (average and instantaneous rainfall rates) will be validated by the Dragonfly mission on Titan, planned for 2034.