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Theses Year : 2022

Solar System Ice microphysics

Microphysique des glaces du système solaire

(1)
1
Guillaume Cruz-Mermy
  • Function : Author
  • PersonId : 1218822
  • IdRef : 267216351

Abstract

This research work focuses on the microphysical characterization of ice present on the surface of different planetary bodies. Studying the microphysical state of the ice consists in characterizing the chemical and structural properties such as the volume proportion of the components, the size of their grains, the porosity or the surface roughness. These properties allow us to understand the formation mode and the processes governing the temporal evolution of these surfaces. At the end of this thesis, two objects were the target of these investigations: Mars and Europa, a satellite of Jupiter. To do so, we use the physical principles describing the interactions between light and matter and in particular the theoretical framework of radiative transfer. The radiation transfer equations allow to model the phenomena of absorption, reflection and scattering of light during its interaction with the surface materials.This work is organized in three distinct parts. The first part is devoted to the description of radiation transfer, the concepts and important physical quantities are defined to lead to some examples of models commonly used by the scientific community. The model used in this work, the so-called photometric Hapke model, is widely described. The advantages of this approach lie in the fact that this model is analytical and easily invertible. The inversion of a physical model consists in using it to find the physical parameters allowing to reproduce as accurately as possible a data, in our case an observation of the surface. The concepts and methods of inversions are also presented in this section. A comparison between different inversion methods is proposed to select the most suitable methods for the problems encountered.The second part is dedicated to the characterization of the surface of Europa, one of the ice satellites of Jupiter. The scientific background gives an overview of the current knowledge about the properties of the surface and ends with the remaining questions: what is the chemical composition of the surface? How does it vary from one geological structure to another? What processes promote this composition? To answer these questions we use the data obtained by the NIMS spectro-imager during the Galileo mission. We have combined the Hapke model and a Bayesian inversion approach to test, for the first time, a very large number of different representations of the surface from 15 chemical compounds that have been proposed so far by previous studies. We show that there is a multitude of different surface representations that produce a similar fit to the data.The third part is devoted to the study of the ices of Mars via the use of the data of the recent ExoMars-TGO mission and in particular the NOMAD infrared spectrometer. The acquisition of the first data of the mission coincides with the beginning of this thesis, so an instrumental calibration work was necessary. A calibration method for the NOMAD nadir channel data has been proposed and published. A first analysis of the data allows to highlight the instrumental capacity to detect surface ice. These data will then allow to undertake a work of characterization and temporal follow-up of the microphysical properties of the ice on Mars.
Ce travail de recherche porte sur la caractérisation microphysique des glaces présentes en surface de différents corps planétaires. Étudier l'état microphysique de la glace consiste à caractériser les propriétés chimiques et structurales telles que la proportion en volume des composants, la taille de leurs grains, la porosité ou encore la rugosité de surface. Ces propriétés permettent alors de comprendre le mode de formation et les processus gouvernant l'évolution temporelle de ces surfaces. A l'issu de cette thèse, deux objets ont fait la cible de ces investigations : Mars et Europa, un satellite de Jupiter. Pour ce faire nous utilisons les principes physiques décrivant les interactions entre la lumière et la matière et notamment le cadre théorique du transfert radiatif. Les équations du transfert de rayonnement permettent de modéliser les phénomènes d'absorption, de réflexion et de diffusion de la lumière lors de son interaction avec les matériaux de la surface. Ce travail est organisé en trois parties distinctes. La première partie est consacrée à la description du transfert de rayonnement, les concepts et grandeurs physiques importantes sont définis pour aboutir à quelques exemples de modèles couramment utilisé par la communauté scientifique. Le modèle utilisé dans ce travail, dit modèle photométrique de Hapke, est largement décrit. Les avantages de cette approche résident dans le fait que ce modèle est analytique et qu'il est facilement inversible. L'inversion d'un modèle physique consiste en son utilisation pour remonter aux paramètres physiques permettant de reproduire le plus fidèlement possible une donnée, dans notre cas une observation de la surface. Les concepts et méthodes d'inversions sont également présentés dans cette partie. Une comparaison entre différentes méthodes d'inversion est proposée pour aboutir à la sélection des méthodes les plus adaptées aux problèmes rencontrés. La seconde partie est dédié à la caractérisation de la surface d'Europe, un des satellites de glace de Jupiter. Le contexte scientifique dresse le bilan des connaissances actuelles concernant les propriétés de la surface et aboutit sur les questions demeurant en suspens : quelle est la composition chimique de la surface ? Comment varie t'elle d'une structure géologique à l'autre ? Quels processus favorisent cette composition ? Pour répondre à ces questions nous utilisons les données obtenues par le spectro-imageur NIMS au cours de la mission Galileo. Nous avons combiné le modèle de Hapke et une approche d'inversion bayésienne pour tester, pour la première fois, un très grand nombre de représentations différentes de la surface à partir de 15 composés chimiques qui ont été proposés à ce jour par des études précédentes. Nous montrons qu'il existe une multitude de représentations différentes de la surface produisant un ajustement similaire aux données. La troisième partie est consacré à l'étude des glaces de Mars via l'utilisation des données de la mission récente ExoMars-TGO et notamment du spectromètre infrarouge NOMAD. L'acquisition des premières données de la mission coïncident avec le début de ce travail de thèse, c'est pourquoi un travail de calibration instrumentale a été nécessaire. Une méthode de calibration des données du canal nadir de NOMAD a été proposée et publiée. Une première analyse des données permet de mettre en évidence la capacité instrumentale à détecter des glaces de surfaces. Ces données permettront ensuite d'entreprendre un travail de caractérisation et de suivi temporelle des propriétés microphysiques de la glace sur Mars.
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Dates and versions

tel-03953094 , version 1 (23-01-2023)

Identifiers

  • HAL Id : tel-03953094 , version 1

Cite

Guillaume Cruz-Mermy. Solar System Ice microphysics. Planetology. Université Paris-Saclay, 2022. English. ⟨NNT : 2022UPASJ027⟩. ⟨tel-03953094⟩
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