Etude préparatoire à linterprétation des données micro-ondes de linstrument RADAR de la mission Cassini/Huygens : Impact de latmosphère de Titan Sébastien

Etude préparatoire à l’interprétation des données micro-ondes de l’instrument RADAR de

la mission Cassini/Huygens : Impact de l’atmosphère de Titan

Sébastien RODRIGUEZ

Vendredi 24 0ctobre 2003

Sous la co-direction de : Philippe PAILLOU et Michel DOBRIJEVIC

Laboratoire d’Astrodynamique, Astronomie et Aéronomie de Bordeaux

Plan

Rodriguez Sébastien - Soutenance de Thèse – L3AB – 24 Octobre 2003 1

1. Introduction

- Distribution des aérosols et nature de la surface de Titan- Caractérisation diélectrique

3. Tests de performance de l’instrument radar de Cassini

4. Application à la simulation simplifiée du mode altimètre dans le cas d’une atmosphère nuageuse

5. Conclusion et perspectives

2. Catalogue des paramètres nécessaires pour les simulations radars

- Transmission atmosphérique- Rétrodiffusion de surface


Plan


1. Introduction







Le satellite de Saturne Titan : généralités


Masse 1,35e+23 kg

Rayon 2575 km

0,4 R Terre

Densité 1,88 g.cm-3

Distance au Soleil

Distance à Saturne

9,5 UA

1 221 850 km

Période de rotation 15,94 jours

Période orbitale 15,94 jours

Tmoyen (surface) 94 K (-178 °C)

Pression (surface) 1,5 bar

Composition

atmosphérique

N2 : ~ 82-99 %

CH4 : ~ 1-6 %

Ar, aérosols

Plus grand satellite de Saturne

r > Lune, Pluton ou Mercure

Grand intérêt pour la planétologie comparée

Forte ressemblance avec la Terre primitive, laboratoire pour la

chimie prébiotique

Atmosphère dense et étendue

Chimie très active (N2 et CH4)

Epaisses brumes d’aérosols

Mystère : surface ? (mers ?)

Masse 1,35e+23 kg

Rayon 2575 km

0,4 R Terre

Densité 1,88 g.cm-3

Distance au Soleil

Distance à Saturne

9,5 UA

1 221 850 km

Période de rotation 15,94 jours

Période orbitale 15,94 jours

Tmoyen (surface) 94 K (-178 °C)

Pression (surface) 1,5 bar

Composition

atmosphérique

N2 : ~ 82-99 %

CH4 : ~ 1-6 %

Ar (?), aérosolsCliché NASA/JPL

La mission Cassini-Huygens

Mission internationale : collaboration NASA/ESA/ASILancée en Octobre 1997, atteindra Saturne en Juillet 2004


HUYGENS

Cliché NASA/ESA NASA/ESA

CASSINI

La mission Cassini-Huygens


HUYGENS

HUYGENS

Mission : descente à travers l’atmosphère de Titan

Objectifs : étude in situ de l’atmosphère et la surface (?) de Titan

CASSINI

Mission : 4 ans en orbite autour de Saturne

Objectifs : Saturne, anneaux, magnétosphère, Titan, satellites glacés

Objectif : Voir à travers l’épaisse atmosphère de Titan

- déterminer la présence de liquides à la surface

- étudier la géologie et la topographie de sa surface solide

Cassini/Radar

Bande Ku : 13.78 GHz ( 2.2 cm)

4 modes de fonctionnement :- SAR- Altimètre- Diffusiomètre- Radiomètre

L’instrument RADAR


NASA/JPL

ne0 (modes actifs) : -25 dB

Problématique et objectif


le radar de Cassini est censé « voir » à travers l’atmosphère

Question :

Le radar arrivera-t-il à percer le voile de l’atmosphère de Titan en toutes circonstances ?

estimation de l’impact de l’atmosphère sur les performances des modes actifs (imageur et altimètre) de l’expérience radar

L’étude la surface de Titan est un enjeu majeur de l’exploration spatiale

maiscelle-ci a toujours été difficile, voire impossible à cause

de son épaisse atmosphère

Plan de travail


Simulations

Profils de rayon, concentrationdes aérosols

Nature de la surface

Estimations des performances de

l’instrument

Propriétés atmosphériques et surfaciques de la matière condensée

Modèle diélectrique

Recherche de valeurs de constantes

diélectriques disponibles

Caractérisation diélectrique

expérimentale des tholins

Paramètres instrumentaux du radar de Cassini

Plan


1. Introduction








Simulations


Collecte des paramètres pour les simulations radars (1)



Sélection de 9 scénarios de distribution verticale des brumes de Titan

2 groupes :

kilo

mèt

res

Pre

ssio

n

1. Scénarios « secs »Aérosols de la haute et basse

stratosphère : entre 450 et 90 km

Extrapolation jusqu’à la surface

2. Scénarios « humides »Aérosols + condensation basse strato- et troposphere : entre 90

km et surface

Les aérosols de Titan : synthèse bibliographique

Scénarios « secs » : multi-couches homogènes


estimation de <r> et <C> structures verticales à grande échelle des brumes

Couche principale

Couches détachées

ajustement au 1er ordre des données photométriques et polarimétriques (Voyager) à l’aide de modèles de brumes uniformes et multi-couches uniformes


Nécessité de réconcilier les désaccords qui subsistaient entre les différentes observations Voyager

Scénarios « secs » : brumes hétérogènes

McKay et al. (1989) Cabane et al. (1992)

scénarios hétérogènes de brumes tirés de modèles microphysiques de croissance d’aérosols


Scénarios semi-homogènes

McKay et al. (1989)

Cabane et al. (1992)

Propriétés du nuage

Toon et al. (1988) et Courtin et al. (1995)

extension 10 < z < 30 km

Rayon des gouttes 50 m < r < 3 mm

Concentration 2 < C < 6500 m-3

Ajout d’une couche de nuages aux scénarios de brumes d’aérosols précédents

Scénarios « humides » : nuage homogène de méthane



extension 10 < z < 30 km

Rayon des gouttes r = 2 mm

Concentration 10 < C < 1000 m-3

Ajout d’une couche de nuages aux scénarios de brumes classiques


approche théorique de la condensation par Frère et al. (1990)à partir de z =100 km, une condensation fractionnée commence à modifier la structure des aérosols

HC3N HCNC3H8

C2CH4

Scénarios « humides » : nuage hétérogène d’hydrocarbures


Simulations





Hypothèses sur la composition de surface


observations dans les fenêtres infrarouges du méthane fortement hétérogène : pas d’océan global d’hydrocarbures constituée de roches silicatées totalement ou partiellement

recouvertes d’un mélange de glaces d’eau, de NH3, d’hydrocarbures et d’une couche d’aérosols

Carte de brillance infrarouge HST (Smith et al. (1996))

d’après Elachi et al. (1991)


Simulations








Matériaux d’intérêt pour Titan


Méthane pur liquide (94 K)

Mélange d’hydrocarbures liquide (~100 K)

Glace d’eau (88-273 K)

Mélange solide H2O-NH3 (~77 K)

r = 1.7 + 0.015j

r = 1.8 + 0.002j

r = 3.1 + 0.0001j

r = 4.5 + 0.0001j

Mélange solide CH4-C2H6 (~90 K) r = 2-2.4 + 0.0001j

Silicates (~100 K) r = 8.6 + 0.09j

Analogues d’aérosols (tholins) ?


Simulations










La synthèse des tholins


Simulation de l’atmosphère de TitanMélange N2-CH4 (98:2) à 2 mbars (300 km) Production de 70 molécules et de « tholins »

3 échantillons



Expériences en cavités résonantes

Perturbation d’une onde plane stationnaire par l’introduction d’une tige

recouverte de tholins (LISA)

le décalage de la fréquence de résonanceatténuation du signal

’ et ’’

r = 2.2 + 0.05 j 20 %

2.45 GHz (12.2 cm)

10 GHz (3 cm)

Caractérisation diélectrique : Synthèse


Modèles diélectriques pour l’atmosphère et la surface de Titan

Plan


1. Introduction







Paramètres instrumentaux du

radar de Cassini pour une géométrie

simplifiée

Tests de performance


Simulations



Estimations des performances du mode

imageur







λ, θ, ne0

Simulation de transmission atmosphérique


r(z), C(z), (z)

Bilan radiatif 1-D

1. Calcul par diffusion Rayleigh et Mie de l’atténuation introduite par la traversée d’une

couche d’atmosphère

2. Addition de toutes les couches

Simulations de transmission atmosphérique : résultats


Scénarios « humides »

Scénarios « secs »

Simulations de rétrodiffusion de surface


Estimation du coefficient de rétrodiffusion pour des surfaces lisses et des surfaces rugueuses

Simulation de rétrodiffusion de surface


Mode imageur

surfaces rugueuses : retour faible mais détectable

surfaces lisses : zones sombres sur les images

Deux modèles de rétrodiffusion suivant la rugosité de la surface considérée

Surface lisse

Surface rugueuse

Tests de performance : synthèse


Une atmosphère uniquement composée de brumes d’aérosols sera totalement transparente pour le mode imageur de Cassini

La présence de nuages de condensation dans la basse atmosphère pourrait engendrer une très

forte atténuation et suffirait pour masquer la surface

Pas d’ambiguïté pour l’interprétation des images de surface

Dommageable pour l’analyse des données de l’imageur

Plan


1. Introduction







Fonctionnement du mode altimètre


Fréquence centrale 13.78 GHz

Puissance 63 W

Angle de visée Nadir (0°)

PRF 4,7-5,6 kHz

Largeur du pulse 150 µs

Largeur de bande 4250 kHz

ne0 25 dB

Mode pulsé

Détermination de la distance antenne/cible par la mesure du temps de propagation aller-retour de l’impulsion :

R = ct/2

Simulations 1-D de rétrodiffusion volumique du pulse altimètre


Impact des nuages sur la forme du pulse altimètre

expression de la convolution entre la forme du pulse envoyé u(t) et d’une fonction caractéristique du milieu rencontré f(t)

tftu

Couche de nuages homogène




extension surface < z < 100 km

Rayon des gouttes r = 2 mm

Concentration C = 10 m-3

Fonction caractéristique du nuage homogène

Couche nuageuse homogène : résultats


1. La distance entre l’orbiteur et le sommet de la couche de nuage

2. L’épaisseur du nuage

3. Couple rayon/concentration

Le pulse rétrodiffusé nous donne des

informations sur :

Couche nuageuse hétérogène


Fonction caractéristique de nuages hétérogènes

Couche nuageuse hétérogène : résultats


Application météorologique : radar pluie


Carte de réflectivité radar


Carte de l’amplitude rétrodiffusée dans le cas d’un récepteur idéal

Carte de détectabilité


Carte de détectabilité pour l’altimètre de Cassini

nuage

Plan


1. Introduction







Conclusions


La prise en compte de l’atmosphère de Titan ne peut être totalement écartée : notamment dans le cas d’une atmosphère nuageuse

Grâce à l’étude de la forme du pulse rétrodiffusé, il serait possible de retirer des informations sur cette couche nuageuse : épaisseur, propriétés des gouttes …

- Ecrantage atmosphérique

- Ambiguïté pour l’interprétation des zones sombres sur les images SAR

Tests de performance du mode imageur

Simulation simplifiée du mode altimètre

Perspectives


Travail de simulation purement préparatoire

Utilité

Liberté de pouvoir explorer un espace des paramètres étendu

Réponse aux questions : - quel sera l’impact de l’atmosphère de Titan sur cette

expérience ?- dans quelles conditions réussira-t-elle à réaliser ses objectifs ?

Limites et développements futurs (horizon Juillet 2004)

Simulations modèle complet d’inversion des futures données

Meilleures contraintes sur : - propriétés de la basse atmosphère (nuages)- valeurs de constante diélectrique

Application pour altimètre de descente bande Ku de Huygens

MERCI A TOUS

introduction

Suppléments

Titan : généralités


31 satellites connus de forme, taille et composition d’une extrême variété

Titan est de loin le plus grand satellite de Saturne et le seul à posséder une atmosphère

Saturne et Titan vus par Cassini (Octobre 2002)

NASA/JPL

Image prise par la sonde Voyager 2 (1981)

NASA/JPL

Saturne

Titan

L’instrument Radar


Foyer secondaireAntenne de télécommunication (Ø 3.66 m)(antenne à grand gain)

Traces programmées du radar à la surface de Titan

© R.D. Lorenz

© NASA/JPL

Simulation de transmission atmosphérique


Documents

Etude préparatoire à linterprétation des données micro-ondes de linstrument RADAR de la mission Cassini/Huygens : Impact de latmosphère de Titan Sébastien