Analyse des 13 années de données VIMS de la sonde Cassini : cartographie globale de la réflectance de la surface de Titan et préparation des futures observations JWST et Dragonfly

Analysis of 13 years of Cassini/VIMS observations : global mapping of surface infrared reflectance and preparatory studies for the Dragonfly and JWST missions

• Auteur / Autrice : Maël Es-Sayeh
• Direction : Sébastien Rodriguez
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de la terre et de l'environnement
• Date : Soutenance le 28/09/2023
• 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 : Stéphane Jacquemoud
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Christophe Sotin, Sophie Bauduin
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Sandrine Vinatier, Frédéric Schmidt

Mots clés

Mots clés contrôlés

Cartographie

Imagerie hyperspectrale

Mission Cassini/Huygens

Spectroscopie infrarouge

Spectroscopie

Transfert radiatif

Titan (satellite de Saturne) -- Atmosphère

Mots clés libres

Titan

Transfert radiatif

Spectroscopie

Infrarouge

Cassini

Imagerie Hyperspectrale

Cartographie

Atmosphère

Titan

Radiative transfer

Spectroscopy

Infrared

Cassini

Hyperspectral imaging

Cartography

Atmosphere

Résumé

Titan, la plus grande lune de Saturne, est la seule lune du Système Solaire à posséder une atmosphère dense, principalement composée de diazote (95-98 %) et de méthane (2-5 %). Une chimie atmosphérique active est à l'origine de la production d'une épaisse brume d'aérosols qui sédimente jusqu'à sa surface. Son atmosphère optiquement épaisse empêche de sonder la surface dans l'ensemble de la gamme du proche infrarouge (NIR), où les signatures spectrales sont autant d'indices de la composition, toujours inconnue ou du moins largement débattue. Dans la gamme 0,88-5,11 μm, l'instrument Visual and Infrared Mapping Spectrometer (VIMS) à bord de la sonde Cassini (2004-2017) a montré que la surface peut être observée dans huit fenêtres de transmission. Néanmoins, dans ces fenêtres, l'absorption gazeuse résiduelle et la diffusion des aérosols rendent l'analyse du signal de surface et la récupération de son albédo complexes. Afin de déterminer les contributions respectives du signal atmosphérique et du signal de surface dans les fenêtres de transmission, un modèle de transfert radiatif a été développé, bénéficiant de récents développements en spectroscopie des gaz et d'une nouvelle description optique des aérosols photochimiques. Ce modèle a été validé à l'aide des données in-situ de la sonde Huygens, puis appliqué aux observations VIMS du site d'atterrissage de la future mission Dragonfly de la NASA. En outre, un nouveau schéma d'inversion optimisé a été développé en vue de rendre possible le traitement de l'ensemble des 13 années de données d'observations de la sonde Cassini dans le but de produire les premières cartes globales semi-annuelles de population d'aérosols et d'albédo de surface. Finalement, les observations de Titan par le télescope James Webb (JWST) en Novembre 2022 offrent un nouveau jeu de données complémentaires à celles de la mission Cassini-Huygens, et celui-ci est actuellement en cours d'analyse.

Titan, Saturn's largest moon, is the only moon in the Solar System with a dense atmosphere, composed mainly of nitrogen (95-98 %) and methane (2-5 %). Active atmospheric chemistry is responsible for the production of a thick aerosol haze that sediments onto its surface. Its optically thick atmosphere prevents from remote sensing the surface in the entire near-infrared (NIR) range, where spectral signatures are clues to its composition, which is still unknown or at least widely debated. In the 0.88-5.11 μm range, the Visual and Infrared Mapping Spectrometer (VIMS) instrument onboard the Cassini probe (2004-2017) has shown that the surface can be observed in eight transmission windows. However, within these windows, residual gas absorption and aerosol scattering make analysis of the surface signal and recovery of its albedo complex. In order to determine the respective contributions of the atmospheric signal and the surface signal in the transmission windows, a radiative transfer model was developed, taking advantage of recent developments in gas spectroscopy and a new optical description of photochemical aerosols. This model was validated using in-situ data from the Huygens probe, then applied to VIMS observations of the landing site of NASA's future Dragonfly mission. In addition, a new optimized inversion scheme has been developed to enable the processing of all 13 years of Cassini probe data to produce the first semi-annual global aerosol population and surface albedo maps. Finally, observations of Titan by the James Webb Telescope (JWST) in November 2022 offer a new data set complementary to those of the Cassini-Huygens mission, currently being analyzed.