etude préparatoire à linterprétation des données micro-ondes de linstrument radar de la mission...
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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
2. Catalogue des paramètres nécessaires pour les simulations radars
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
- Transmission atmosphérique- Rétrodiffusion de surface
2. Catalogue des paramètres nécessaires pour les simulations radars
Le satellite de Saturne Titan : généralités
Rodriguez Sébastien - Soutenance de Thèse – L3AB – 24 Octobre 2003 2
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
Rodriguez Sébastien - Soutenance de Thèse – L3AB – 24 Octobre 2003 3
HUYGENS
Cliché NASA/ESA NASA/ESA
CASSINI
La mission Cassini-Huygens
Rodriguez Sébastien - Soutenance de Thèse – L3AB – 24 Octobre 2003 4
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
Rodriguez Sébastien - Soutenance de Thèse – L3AB – 24 Octobre 2003 5
NASA/JPL
ne0 (modes actifs) : -25 dB
Problématique et objectif
Rodriguez Sébastien - Soutenance de Thèse – L3AB – 24 Octobre 2003 6
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
Rodriguez Sébastien - Soutenance de Thèse – L3AB – 24 Octobre 2003 7
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
Rodriguez Sébastien - Soutenance de Thèse – L3AB – 24 Octobre 2003 8
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
Rodriguez Sébastien - Soutenance de Thèse – L3AB – 24 Octobre 2003 9
Simulations
Profils de rayon, concentrationdes aérosols
Collecte des paramètres pour les simulations radars (1)
Propriétés atmosphériques et surfaciques de la matière condensée
Rodriguez Sébastien - Soutenance de Thèse – L3AB – 24 Octobre 2003 10
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
Rodriguez Sébastien - Soutenance de Thèse – L3AB – 24 Octobre 2003 11
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
Rodriguez Sébastien - Soutenance de Thèse – L3AB – 24 Octobre 2003 12
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
Rodriguez Sébastien - Soutenance de Thèse – L3AB – 24 Octobre 2003 13
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
Propriétés du nuage
Toon et al. (1988) et Courtin et al. (1995)
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
Rodriguez Sébastien - Soutenance de Thèse – L3AB – 24 Octobre 2003 14
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
Rodriguez Sébastien - Soutenance de Thèse – L3AB – 24 Octobre 2003 15
Simulations
Profils de rayon, concentrationdes aérosols
Nature de la surface
Propriétés atmosphériques et surfaciques de la matière condensée
Collecte des paramètres pour les simulations radars (2)
Hypothèses sur la composition de surface
Rodriguez Sébastien - Soutenance de Thèse – L3AB – 24 Octobre 2003 16
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)
Rodriguez Sébastien - Soutenance de Thèse – L3AB – 24 Octobre 2003 17
Simulations
Profils de rayon, concentrationdes aérosols
Nature de la surface
Propriétés atmosphériques et surfaciques de la matière condensée
Modèle diélectrique
Recherche de valeurs de constantes
diélectriques disponibles
Collecte des paramètres pour les simulations radars (3)
Matériaux d’intérêt pour Titan
Rodriguez Sébastien - Soutenance de Thèse – L3AB – 24 Octobre 2003 18
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) ?
Rodriguez Sébastien - Soutenance de Thèse – L3AB – 24 Octobre 2003 19
Simulations
Profils de rayon, concentrationdes aérosols
Nature de la surface
Propriétés atmosphériques et surfaciques de la matière condensée
Modèle diélectrique
Recherche de valeurs de constantes
diélectriques disponibles
Caractérisation diélectrique
expérimentale des tholins
Collecte des paramètres pour les simulations radars (4)
La synthèse des tholins
Rodriguez Sébastien - Soutenance de Thèse – L3AB – 24 Octobre 2003 20
Simulation de l’atmosphère de TitanMélange N2-CH4 (98:2) à 2 mbars (300 km) Production de 70 molécules et de « tholins »
3 échantillons
Caractérisation diélectrique
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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
Rodriguez Sébastien - Soutenance de Thèse – L3AB – 24 Octobre 2003 22
Modèles diélectriques pour l’atmosphère et la surface de Titan
Plan
Rodriguez Sébastien - Soutenance de Thèse – L3AB – 24 Octobre 2003 23
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
Paramètres instrumentaux du
radar de Cassini pour une géométrie
simplifiée
Tests de performance
Rodriguez Sébastien - Soutenance de Thèse – L3AB – 24 Octobre 2003 24
Simulations
Profils de rayon, concentrationdes aérosols
Nature de la surface
Estimations des performances du mode
imageur
Propriétés atmosphériques et surfaciques de la matière condensée
Modèle diélectrique
Recherche de valeurs de constantes
diélectriques disponibles
Caractérisation diélectrique
expérimentale des tholins
λ, θ, ne0
Simulation de transmission atmosphérique
Rodriguez Sébastien - Soutenance de Thèse – L3AB – 24 Octobre 2003 25
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
Rodriguez Sébastien - Soutenance de Thèse – L3AB – 24 Octobre 2003 26
Scénarios « humides »
Scénarios « secs »
Simulations de rétrodiffusion de surface
Rodriguez Sébastien - Soutenance de Thèse – L3AB – 24 Octobre 2003 27
Estimation du coefficient de rétrodiffusion pour des surfaces lisses et des surfaces rugueuses
Simulation de rétrodiffusion de surface
Rodriguez Sébastien - Soutenance de Thèse – L3AB – 24 Octobre 2003 28
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
Rodriguez Sébastien - Soutenance de Thèse – L3AB – 24 Octobre 2003 29
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
Rodriguez Sébastien - Soutenance de Thèse – L3AB – 24 Octobre 2003 30
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
Fonctionnement du mode altimètre
Rodriguez Sébastien - Soutenance de Thèse – L3AB – 24 Octobre 2003 31
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
Rodriguez Sébastien - Soutenance de Thèse – L3AB – 24 Octobre 2003 32
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
Rodriguez Sébastien - Soutenance de Thèse – L3AB – 24 Octobre 2003 33
Propriétés du nuage
Toon et al. (1988) et Courtin et al. (1995)
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
Rodriguez Sébastien - Soutenance de Thèse – L3AB – 24 Octobre 2003 34
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
Rodriguez Sébastien - Soutenance de Thèse – L3AB – 24 Octobre 2003 35
Fonction caractéristique de nuages hétérogènes
Couche nuageuse hétérogène : résultats
Rodriguez Sébastien - Soutenance de Thèse – L3AB – 24 Octobre 2003 36
Application météorologique : radar pluie
Rodriguez Sébastien - Soutenance de Thèse – L3AB – 24 Octobre 2003 37
Carte de réflectivité radar
Rodriguez Sébastien - Soutenance de Thèse – L3AB – 24 Octobre 2003 38
Carte de l’amplitude rétrodiffusée dans le cas d’un récepteur idéal
Carte de détectabilité
Rodriguez Sébastien - Soutenance de Thèse – L3AB – 24 Octobre 2003 39
Carte de détectabilité pour l’altimètre de Cassini
nuage
Plan
Rodriguez Sébastien - Soutenance de Thèse – L3AB – 24 Octobre 2003 40
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
Conclusions
Rodriguez Sébastien - Soutenance de Thèse – L3AB – 24 Octobre 2003 41
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
Rodriguez Sébastien - Soutenance de Thèse – L3AB – 24 Octobre 2003 42
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
Rodriguez Sébastien - Soutenance de Thèse – L3AB – 24 Octobre 2003 4
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
Rodriguez Sébastien - Soutenance de Thèse – L3AB – 24 Octobre 2003 5
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
Rodriguez Sébastien - Soutenance de Thèse – L3AB – 24 Octobre 2003 27
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