Dynamique de la poussière martienne

Martian dust dynamics

• Auteur / Autrice : Yann Leseigneur
• Direction : Mathieu Vincendon
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Astronomie et Astrophysique
• Date : Soutenance le 26/09/2023
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Astronomie et astrophysique d'Île-de-France (Meudon, Hauts-de-Seine ; 1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut d'astrophysique spatiale (Orsay, Essonne ; 1990-....)
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Physique (2020-....)
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Université Paris-Saclay. Faculté des sciences d’Orsay (Essonne ; 2020-....)
• Jury : Président / Présidente : Frédéric Schmidt
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Sylvain Douté, Aymeric Spiga, Anni Maattanen, Jérémie Lasue, Ann Carine Vandaele
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Sylvain Douté, Aymeric Spiga

Mots clés

Mots clés contrôlés

Planètes -- Surfaces

Mars (planète) -- Atmosphère

Atmosphère

Mars (planète)

Planétologie

Analyse des données

Mots clés libres

Analyse de données

Planétologie

Mars

Atmosphere

Data analysis

Planetology

Mars

Atmosphere

Résumé

La poussière martienne, omniprésente sur Mars (surface et atmosphère) et composée de particules minérales de l'ordre du micron, est une composante fondamentale de l'atmosphère martienne modifiant notamment l'équilibre thermique locale et donc la circulation atmosphérique. Cette poussière, soulevée depuis la surface et injectée dans l'atmosphère par des mécanismes identifiés comme la saltation ou des tourbillons convectifs (dust devils) mais dont l'intensité et l'importance ne sont pas encore bien évaluées, est très mobile, formant des tempêtes de poussière d'une échelle locale (< 2000 km), régionale (> 2000 km) et planétaire dans de rares cas. Des études sur la poussière atmosphérique sont menées depuis la fin des années 1960 à partir de données orbitales, notamment de l'imagerie permettant de suivre l'évolution des tempêtes de poussière, mais aussi à partir de spectroscopie en infrarouge thermique permettant de calculer une épaisseur optique de poussière à 9,3 µm (bande d'absorption des silicates), et depuis la fin des années 1990 depuis la surface avec des mesures d'épaisseur optique en proche infrarouge. La poussière se déplace également sur la surface, dont certains de ces mouvements présentent des points communs avec les Recurring Slope Lineae (RSL), des mouvements linéaires sombres saisonniers et récurrents observés sur des pentes raides. Les RSL occupent une place particulière depuis leur découverte (début des années 2010), car ils ont été d'abord associés à des écoulements d'eau liquide. Des processus secs sont maintenant privilégiés, dont certains impliquent la poussière.La première partie de cette thèse se concentre sur l'étude de la poussière atmosphérique à l'échelle globale à partir des données du spectromètre-imageur proche infrarouge OMEGA à bord de Mars Express (ESA). Une méthode de détection automatisée de la poussière atmosphérique a été développée durant ce doctorat, basée sur la diminution de la bande d'absorption du dioxyde de carbone gazeux à 2 µm engendrée par la présence de poussière dans l'atmosphère. Cet indicateur de présence a ensuite été converti en une épaisseur optique de poussière à 0,9 µm à partir des mesures directes en proche infrarouge réalisées depuis la surface par les Mars Exploration Rovers (NASA) lors de co-observations avec OMEGA. Cette méthode a permis de construire, à partir de plus de trois années martiennes de données OMEGA (2004-2010), des cartes globales saisonnières d'épaisseur optique et des diagrammes spatio-temporels. Ainsi, une recherche de signes précurseurs de la tempête globale de 2007 (MY 28) a été menée, mais aussi une étude de la variation spatiale et temporelle de la taille moyenne des particules de poussière, à partir d'une comparaison avec des données thermiques à 9,3 µm.La seconde partie de thèse est dédiée à l'étude des mouvements de surface appelés RSL et de leur lien avec la poussière. Une première corrélation spatio-temporelle a été constatée entre l'activité annuelle d'une région de RSL de l'hémisphère nord et l'activité de la poussière atmosphérique (via l'épaisseur optique calculée à partir des données OMEGA), ainsi qu'au niveau de certains sites de l'hémisphère sud. Une étude plus approfondie d'un site de ce dernier, le cratère de Hale, a été menée en réanalysant les images haute résolution de la caméra HiRISE/MRO (NASA) avec un a priori de soulèvement/dépôt de poussière afin d'expliquer ce qui est observé. Cette nouvelle caractérisation de l'activité des RSL de Hale a ensuite été comparée aux mesures locales d'épaisseur optique, permettant d'élaborer un modèle de formation des RSL à partir de ce site, mélangeant des allongements de type avalanche sèche de poussière et des allongements plus progressifs possiblement (ré)activé par des vents.

Martian dust, omnipresent on Mars (surface and atmosphere) and composed of micrometer-size mineral particles, is a fundamental component of the Martian atmosphere, notably modifying the local thermal balance and therefore atmospheric circulation. This dust, raised from the surface and injected into the atmosphere by identified mechanisms such as saltation or convective eddies (dust devils), of which the intensity and importance are not yet well assessed, is highly mobile, forming dust storms on a local (< 2000 km), regional (> 2000 km) and, in rare cases, planetary scale. Studies of atmospheric dust have been carried out since the late 1960s using orbital data, in particular imagery to track the evolution of dust storms, but also thermal infrared spectroscopy to compute dust optical at 9.3 µm (silicate absorption band), and since the late 1990s from the surface using near-infrared dust optical depth measurements. The dust also moves across the surface, and some of these movements share common features with the Recurring Slope Lineae (RSL), seasonal and recurrent dark linear movements observed on steep slopes. RSL have occupied a special place since their discovery in the early 2010s, as they were initially associated with liquid water flows. Dry processes are now favoured, some of which involve dust.The first part of this thesis focuses on the study of atmospheric dust on a global scale using data from the OMEGA near-infrared imaging spectrometer on board Mars Express (ESA). An automated method for detecting atmospheric dust was developed during this PhD, based on the decrease in the absorption band of gaseous carbon dioxide at 2 µm, caused by the presence of dust in the atmosphere. This presence indicator was then converted into a dust optical at 0.9 µm using direct near-infrared measurements from the surface taken by the Mars Exploration Rovers (NASA) during co-observations with OMEGA. Using this method, global seasonal maps of dust optical depth and spatio-temporal diagrams were constructed from more than three years of OMEGA data (2004-2010). A search for precursors of the 2007 global storm (MY 28) was carried out, as well as a study of the spatial and temporal variation in the mean size of dust particles, based on a comparison with thermal data at 9.3 μm.The second part of the thesis is dedicated to the study of surface movements called RSL and their link with dust. A first spatio-temporal correlation was found between the annual activity of an RSL region in the northern hemisphere and the activity of atmospheric dust (via dust optical depth computed from OMEGA data), as well as at certain sites in the southern hemisphere. A more in-depth study of a site in the southern hemisphere, Hale crater, was carried out by re-analysing the site's high-resolution images of HiRISE/MRO (NASA) camera with a dust raising/deposition a priori to explain what is observed. This new characterisation of RSL activity at Hale was then compared with local measurements of dust optical depth, making it possible to develop a model of RSL formation from this site, mixing dry dust avalanche-type lengthenings and more gradual lengthenings possibly (re)activated by winds.