Analyzing dune parameters such as dune width and spacing can be useful in determining the reaction of dunes to changes in atmospheric and sedimentary conditions currently and in the recent geologic past. Dune parameters, dune width and spacing, were measured for linear dunes in regions across Saturn's moon Titan from images T21, 23, 28, 44 and 48 collected by Synthetic Aperture RADAR aboard the Cassini spacecraft in order to reconstruct the surface history of Titan. Dunes in the five study swaths are all linear in form, but lack superimposed or flanking dunes. They have a mean width of 1.3 km and mean crest spacing of 2.7 km, wider and farther apart on average than similar terrestrial dunes in the Namib and Agneitir Sand Seas though larger linear dunes exist on Earth. Because of the lack of superimposed and flanking dunes and their size, Titan's dunes are classified as very large simple linear dunes. The large size, spacing and uniform morphology are all indicators that Titan's dunes are very mature and long-lived features. The ratio of dune width to spacing for Titan's dunes is similar to that found in terrestrial dunes in that dune spacing tends to be twice dune width. In addition to being similar in size, this is further evidence that terrestrial dunes can be used as analogues for Titan's dunes and vice versa and that the essential dune-forming processes are the same on both bodies. Dune width and spacing decrease northward, which is attributed to, but not limited to, increased maturity of dune fields to the south or increased sediment stabilization to the north. Sediment stabilization may be caused by Titan's asymmetric seasons and a net transport of moisture from south to north. The majority of dunes have spacings consistent with an upper limit of 2 to 4 km established by the atmospheric boundary layer, further evidence they are mature. Dunes are more widely spaced in the south are evidence they have been growing toward a steady state for a longer period of time than those in the north. Titan's large linear dunes have long reconstitution times. This is in part due to the fact that winds sufficient for saltation are reached only near the Titan equinox every 14 Earth years. Based on rates for similar terrestrial dunes the reconstitution time for Titan's dune is 600,000 Earth years or more, and therefore substantial changes in dune form should not be observable over Cassini's lifetime. Cumulative probability plots of dune parameters measured at different locations across Titan indicate there is a single population of dunes on Titan. This suggests that, unlike analogous dunes in the Namib and Agneitir Sand Seas, dune-forming conditions that currently exist on Titan are either the only dune-friendly conditions in the moon's history, or the current conditions have been stable and active long enough to erase any evidence of past conditions.

Titan is an important planetary body for aeolian research because of the vast equatorial sand seas that span 20% of its surface. Previous studies have determined the general margins of sand and sand seas on Titan, and have speculated about the source of Titan's sand. Little research has been done concerning where sand collects in the sand seas. Additionally, the relationships be-tween material distributions as observed by the Cassini Visual and Infrared Mapping Spectrometer (VIMS) and the history of erosion and transportation of sediments across equatorial latitudes is not fully understood. This work focuses on an in depth evaluation of sand distribution and abundance across the sand seas, and presents evidence for an alternative sand source. This work also addresses a potential stratigraphy for the equatorial regions based on the excavation of materials from impact craters. We mapped the extent of relative sand abundances by comparing different Cassini image datasets, largely by mapping where the Imaging Science Subsystems (ISS) regions were darkest, in-dicating the presence of more sand. Our results revealed that greater abundances of sand accumu-late near the eastern margins of sand seas. This is in agreement with previous studies that demon-strated general W to E transport, and fits a general model of sand transport across the sand seas to collect at the downwind margins, perhaps ahead of topographic obstacles that mark the eastern ends of the sand seas. Additionally, we found that the largest continuous expanse of abundant sand de-posits lie across Belet, a large sand sea that occupies a broad equatorial lowland. Another sand sea of interest is Shangri-La, which has a recessed SE margin adjacent to the broad, albedo-bright de-pression Xanadu. We also found abundant sand deposits within Shangri-La across a corridor be-tween highlands and along the SE boundary of the sand sea. Dune crest orientations across eastern Shangri-La indicate WNW to ESE transport in the region. We propose that the low topography of Xanadu, coupled with the strong gradient in albedo between Shangri-La and Xanadu would gener-ate atmospheric disturbances similar to those responsible for transporting sand across positive changes in elevation on Mars, and may be responsible for the distinct boundary. VIMS-blue materials are generally associated with water ice mixed with organic com-pounds. We found that VIMS-blue surfaces across equatorial latitudes tend to be directly adjacent to and upwind of sand seas. This, coupled with geomorphological observations of erosional charac-teristics and examination of material properties, suggests that sand could at least in part be derived from VIMS-blue materials. We propose 3 environments (alluvial fans, dry lakebeds, and ejecta from impact craters) for sand production using this interpretation and making comparisons with SAR, ISS, and VIMS imagery. Modeling suggests that Titan's lithosphere significantly thickened 500 m.y. ago. We inter-pret an elongate exposure of VIMS-blue materials adjacent to Aztlan to be a rift caused by a thick-ening of the lithosphere, similar to many of the other icy bodies of the solar system. Our interpreta-tion is further supported by the distribution of cryovolcanic features alongside the proposed rift. Anomalous VIMS-blue and bright regions within eastern Xanadu are distributed in a pattern that resembles a multi-ringed impact basin. Additionally, when a value threshold was applied to ISS imagery, a bright circular feature was revealed within western Xanadu. These observations suggest two large impacts may have been significantly responsible for creating Xanadu. Comparisons of impact crater models with VIMS imagery of Paxsi, Menrva, Sinlap, Selk, and other craters suggest alternating layers of VIMS-bright and VIMS-blue cover much of the equatorial latitudes of Titan. We completed ground penetrating radar (GPR) and global positioning system (GPS) surveys across margins of the Kelso Dunes to evaluate the effects of fluvial interaction on sand depth. Our terres-trial model was compared to sand seas on Titan that appear to also have interactions with fluvial channels. Distributions of sand suggest that in both the Kelso Dunes and on Titan, fluvial obstruc-tion is temporary and on Titan isolated across small regions. This work leads to a better understanding of sand production, accumulation and transport on Titan and in sand seas in general, and reveals a basic stratigraphy of the equatorial regions of Titan. This region is of particular interest because it is the landing site of the Dragonfly mission, now in design.

Saturn's rings are a complex, dynamic system that can provide unique insight into the structure and features of the planet and surrounding system. We use stellar occultation data of Saturn's rings collected from the Cassini Ultraviolet Imaging Spectrograph to visualize and analyze bending waves present within the rings. Analysis of the propagation of these waves gives insight into the surface mass density of the local ring region and can be used to further our understanding of ring dynamics and ring formation. Our analysis of the Mimas 7:4 bending wave estimated a surface mass density between 30 g cm-2 and 43 g cm-2, corroborating the findings of Spilker et al. (2004) of 47 ± 6.2 g cm-2 and supporting our current understanding of linear wave theory. Our analysis of the Mimas 4:2 bending wave estimated the surface mass density to be between 33 g cm-2 and 47 g cm-2 and was of particular interest since this wave is found in the relatively uncharacterized B ring region.

Ce travail de thèse est une étude originale de l'équilibre et de la circulation des populations d'électrons dans la magnétosphère de Saturne à l'aide des données multi-instrumentales de la sonde Cassini-Huygens. A partir de spectres inter-étalonnés des instruments particules de basse énergie (de 0.6 eV à 26 keV) et de haute énergie (de 12keV à 1 MeV), j'ai identifié les populations électroniques présentes dans la magnétosphère de Saturne : une population thermique (quelques eV), une population suprathermique (100-1000 eV), une population d'électrons énergétiques (MeV), et une population de photoélectrons issus de la photo-ionisation du tore de gaz neutre, observée pour la première fois dans la magnétosphère interne (< 5 Rayons saturniens). A partir des profils radiaux des moments fluides des populations électroniques dominantes, j'ai identifié la présence de 3 grandes régions magnétosphériques caractérisées par des régimes plasma différents, séparées par deux frontières localisées à 9 et à 15 Rayons saturniens. L'analyse statistique des profils de moments a révélé une dynamique importante de la couche de plasma et une asymétrie de la distribution des électrons thermiques et suprathermiques en longitude. L'analyse de l'évolution des moments fluides à l'intérieur de chacune des régions magnétosphériques et entre ces régions m'a permis d'identifier d'une part les régions de source, de perte et de transport des populations électroniques, et d'autre part les processus physiques dominants dans ces régions. Sur base de cette analyse, un schéma de circulation des populations d'électrons dans la magnétosphère de Saturne est enfin proposé.

The purpose of this project is to investigate the spectral properties of turbulence in the magnetosheath of Saturn, using in-situ magnetic field measurements from the Cassini spacecraft. According to models of incompressible, turbulent fluids, the energy spectrum in the inertial range scales as the frequency to the power of -5/3, which has been observed in the near-Earth Solar wind but not in the Terrestrial magnetosheath unless close to the magnetopause. 120 time intervals for when Cassini is inside the magnetosheath are identified — 40 in each category of behind quasi-perpendicular bow shocks, behind quasi-parallel bow shocks, and inside the middle of the magnetosheath. The power spectral density is thereafter calculated for each interval, with logarithmic regressions performed at the MHD and sub-ion scales separated by the ion gyrofrequency. The results seem to indicate similar behaviour as in the magnetosheath of Earth, without significant difference between quasi-perpendicular and quasi-parallel cases except somewhat steeper exponents at the MHD scale for the former. These observations confirm the role of the bow shock in destroying the fully developed turbulence of the Solar wind, thus explaining the absence of the inertial range. / Syftet med detta projekt är att undersöka de spektrala egenskaperna hos turbulens i Saturnus magnetoskikt, med in-situ-mätningar av magnetfältet från Cassini-rymdsonden. Enligt modeller av inkompressibla, turbulenta fluider, är energispektrumet i det intertiala omfånget proportionellt mot frekvensen upphöjd i -5/3, vilket har observerats i den jordnära Solvinden men inte i det jordiska magnetoskiktet förutom nära magnetopausen. 120 tidsintervall för när Cassini befinner sig inuti magnetoskiktet identifieras — 40 styck i kategorierna bakom kvasi-vinkelräta bogchockar, bakom kvasi-parallella bogchockar, och inuti mellersta delen av magnetoskiktet. Effektspektraltätheten beräknas därefter för varje intervall, med logaritmiska regressioner på MHD- och subjon-skalorna som separeras av jongyrofrekvensen. Resultaten verkar tyda på liknande beteende som i Jordens magnetoskikt, utan märkvärdig skillnad mellan kvasi-vinkelräta och kvasi-parallella fall förutom något brantare exponenter på MHD-skalan för de förnämnda. Dessa observationer bekräftar bogchokens roll i förstörandet av den fullt utvecklade turbulensen i Solvinden, därmed förklarande avsaknaden av det inertiala omfånget.

Les sondes de permittivité sont des instruments de prospection géophysique non destructifs qui donnent accès aux propriétés électriques, aux basses fréquences (10 Hz-10 kHz), de la proche subsurface. Ce faisant, elles renseignent sur la composition, porosité, température et éventuelle hétérogénéité des premiers mètres sous la surface.Utilisant généralement 4 électrodes, le principe des sondes de permittivité est simple : il consiste à injecter un courant sinusoïdal de phase et d’amplitude connues entre deux électrodes (dipôle émetteur) et à mesurer l'impédance mutuelle (le rapport complexe entre la tension et le courant injecté) entre ce dipôle émetteur et un dipôle récepteur. La permittivité complexe du matériau de surface, à savoir sa constante diélectrique et sa conductivité électrique, sont alors déduites de la mesure de l’amplitude et de la phase de cette impédance mutuelle. Les fréquences d’opération des sondes de permittivités sont basses là où l’approximation quasi-statique s’applique. A ce jour, les propriétés électriques de seulement deux surfaces planétaires extraterrestres ont été étudiées par des sondes de permittivité : celle de Titan par l’instrument PWA-MIP/HASI/Huygens/Cassini-Huygens et celle du noyau de la comète 67P/Churyumov–Gerasimenko par SESAME-PP/Philae/Rosetta.Nous présentons la première analyse des données obtenues par SESAME-PP à la surface de la comète 67P/Churyumov–Gerasimenko. Grâce à un travail précis (1) de modélisation numérique de l’instrument et de son fonctionnement, (2) de campagne de mesures (en laboratoire et dans des grottes de glace) afin de valider la méthode d’analyse et (3) d’hypothèses réalistes sur l’environnement proche de la sonde, nous avons pu contraindre la composition et surtout la porosité des premiers mètres du noyau cométaire montrant qu’ils étaient plus compacts que son intérieur. Nous avons également travaillé à une nouvelle analyse des données obtenues en 2005 par PWA-MIP proposant notamment de nouveaux scénarios pour le changement brutal de propriétés électriques observé 11 min après l’atterrissage de Huygens. Ces nouveaux scénarios s’appuient, entre autres, sur les mesures de caractérisation électrique menées au LATMOS sur des échantillons de composés organiques (tholins), analogues possibles des matériaux recouvrant la surface de Titan. / Permittivity probes are non-destructive geophysical prospecting instruments that give access to the low frequency (10 Hz – 10 kHz) electrical properties of the close subsurface. This provides us with information on the composition, porosity, temperature, and heterogeneity of the first meters of the subsurface.Using 4 electrodes, the technique consists in injecting a sinusoidal current of known phase and amplitude between two electrodes (transmitting dipole) and measuring the mutual impedance (complex ratio of measured potential over injected current) between this dipole and a receiving dipole. The complex permittivity (i.e. dielectric constant and conductivity) of the subsurface material is derived from the measured phase and amplitude of the mutual impedance. The frequency range of operation of permittivity probes is low, therefore the quasi static approximation applies. To this day the electrical properties of only two extra-terrestrial surfaces have been studied by permittivity probes, the surface of Titan by the instrument PWA-MIP/HASI/Huygens/Cassini-Huygens and the surface of the nucleus of comet 67P/Churyumov–Gerasimenko by SESAME-PP/Philae/Rosetta.We present a first analysis of the data collected by SESAME-PP at the surface of the comet 67P/Churyumov–Gerasimenko. With the help of (1) precise numerical models of the instrument, (2) field measurements (in a controlled and natural environment) in order to validate the analysis method, and (3) realistic hypothesis on the close environment we were able to constrain the composition and porosity of the first meters of the comet’s nucleus, showing that the subsurface is more compact than its interior. We also reanalysed of the data collected in 2005 by PWA-MIP, offering new explanations for the abrupt change in the electrical properties observed 11 minutes after the landing of Huygens. These new scenarios were built in the light of lab measurements performed at LATMOS on samples of organic matter (tholins), possible analogue of Titan’s surface material.

International Telemetering Conference Proceedings / October 28-31, 1996 / Town and Country Hotel and Convention Center, San Diego, California / Exploration of Titan is one of the primary objectives of the Cassini/Huygens mission Saturn due to launch in 1997. Limited data will be provided by Huygens as it descends to the surface via parachute and by Cassini as it orbits Saturn and occasionally passes near Titan. Interest in Titan is high because of its planet-class size, dense atmosphere, and the possibility of continents and seas. Already, there are discussions for a follow-on mission to Titan. There are several proposed designs such as balloons and boats to explore Titan's ethane seas. In all cases, reliable data links back to Earth are absolutely essential. However, simply increasing the power has its limits due to constraints on launch weights. There are a number of possible options for getting data back from Titan. These alternatives, and their effect on the mission profile are discussed.

The Composite Infrared Spectrometer (CIRS) instrument onboard the Cassini spacecraft will be used to probe the atmosphere and surface of Saturn's giant moon Titan. This thesis describes an investigation of the capabilities of CIRS as a remote sounding instrument. To enable infrared spectra to be computed, a radiative transfer code has been adapted for Titan's atmosphere. The atmospheric model, including gases and aerosol particles, was refined by comparison of synthetic spectra with results from the IRIS instrument of the Voyager 1 spacecraft. Characteristics of the instrument have been deduced from laboratory measurements. The size and shape of the field of view was found for the mid-infrared detectors. A Fourier code was developed to transform the raw data (interferograms). Blackbody spectra taken with the flight instrument were analysed to calculate the noise equivalent radiance for the detectors of all three focal planes. Finally, the data regarding instrument performance was used in combination with the predictive radiative transfer code to consider in detail the extent to which gaseous bands and other spectral features will be observable for a variety of limb and nadir viewing modes. Current observing strategies are reviewed and recommendations for scientific emphasis in the light of the actual instrument performance are made.

Cette thèse présente une étude des propriétés rotationnelles des particules dans les anneaux A et C de Saturne. La rotation des particules sur elles mêmes est un des paramètres dynamiques clé qui entre en jeu au cours des collisions mutuelles. La distribution du spin w dépend en effet des vitesses relatives mais aussi de l'état de surface du régolite (porosité et rugosité) et donc de la structure interne des particules. La contrainte de w passe par l'interprétation de l'émission thermique (fonction de l'inertie thermique Tau et de w) du disque en fonction de l'angle de phase et de la longitude planétocentrique, car il n'est pas encore possible d'observer les particules individuellement. Les variations azimutales de température observées à différents angles de phase sont modulées par le refroidissement des particules à chaque orbite, lorsqu'elles traversent l'ombre de la planète. Les vitesses de réchauffement et de refroidissement permettent de mesurer l'inertie thermique, alors que les différences de température en fonction de l'angle de phase nous informent sur l'anisotropie d'émission associée au spin.<br>Ces variations de température ont été observées dans l'infrarouge, à faible angle de phase avec les caméras CAMIRAS (CFHT) et VISIR (VLT), et à de multiples angles de phase avec les spectromètres IRIS (Voyager) et CIRS (Cassini), offrant respectivement une couverture azimutale totale ou partielle. Un modèle thermique d'anneau planétaire constitué de particules de glace sphériques en rotation et réparties suivant une structure monocouche a été développé pour interpréter les températures observées. Il permet de déterminer comment la température du disque, soumis aux multiples sources de chauffage (Soleil, Saturne...etc), varie avec l'angle de phase et la longitude en fonction des propriétés thermiques des particules.<br>L'importante asymétrie d'émission à faible ou fort angle de phase montre que les plus grosses particules, qui contiennent une fraction importante de la masse de l'anneau C, ont une vitesse moyenne de rotation proche de la rotation Keplerienne Omega(w/Omega =0.5±0.4). Ce résultat, obtenu avec les hypothèses d'une distribution mono taille des particules, et suivant une structure monocouche, est compatible avec les résultats des simulations dynamiques. L'inertie thermique du régolite de l'anneau C (Tau = 6.0 ± 4Jm-2K-1s-1/2) est 3 ordres de grandeur plus faible que celle de la glace d'eau cristalline, et confirme une structure très poreuse, probablement engendrée par des fissures à la surface des particules. Elles sont probablement la conséquence du resurfaçage permanent dû aux collisions mutuelles, ou aux forces de tensions liées aux importantes variations de température à chaque orbite.<br>Aux variations de température azimutales de l'anneau A liées au spin et au refroidissement des particules dans l'ombre de la planète, s'ajoute une modulation de température de brillance, corrélée avec la variation de profondeur optique. Cette variation a pu être mise en évidence par les observations de CIRS à de multiples angles de phase et s'explique par la présence d'instabilit és gravitationnelles connues sous le nom de " wakes ". L'émission thermique de l'anneau A observée avec VISIR, après la prise en compte des observations de CIRS, est similaire à celle provenant de structures planes dans lesquelles les particules forment des agrégats. La haute résolution angulaire accessible au VLT nous a permis, pour la première fois, de mesurer les variations azimutales de température dans cette région et d'en déduire son inertie thermique. La valeur trouvée (Tau = 4 ± 3Jm-2K-1s-1/2), sous l'hypothèse d'une structure plane monocouche, est sensiblement identique à celle des anneaux C et B, indiquant un état de surface probablement similaire.

L'observation d'occultations du Soleil et d'étoiles par Titan permet d'étudier l'atmosphère épaisse de ce satellite de Saturne du point de vue de sa composition en gaz et en aérosols. Le principe de ces observations, réalisées par le spectro-imageur visible/infrarouge VIMS de la sonde Cassini, est de mesurer la transmission du flux solaire ou stellaire à travers l'atmosphère de Titan. Les données sont constituées de courbes de lumière à différentes longueurs d'onde et de spectres infrarouges pour différentes altitudes de visée. L'étude des courbes de lumière montre qu'il s'agit d'occultations par absorption et non par réfraction différentielle comme c'est le cas pour les occultations observées depuis la Terre. La baisse de signal observée est donc due à l'absorption du flux lumineux par le gaz et les aérosols de l'atmosphère.<br>Les spectres en transmission présentent des bandes d'absorption du méthane à 1,2, 1,4, 1,7, 2,3 et 3,3 µm et du monoxyde de carbone à 4,7 µm. Un code de transfert radiatif en géométrie sphérique et utilisant la méthode de calcul raie par raie a été développé afin de modéliser les bandes observées. L'étude du méthane est centrée principalement sur la bande à 2,3 µm. Au-dessus de 200 km, nos données sont compatibles avec une abondance uniforme de 1,4 - 1,6% telle que mesurée par d'autres instruments. En dessous de 200 km, un effet systématique mal compris empêche une mesure fiable. La molécule de CO est détectée en dessous de 180 km. Une abondance de 33±10 ppm est mesurée entre 70 et 130 km d'altitude. En dessous de 500 km environ, une absorption supplémentaire, centrée sur 3,4 µm se superpose à la bande du méthane à 3,3 µm. Cette bande caractérise la vibration des liaisons C - H au sein de longues chaînes aliphatiques rattachées à de larges molécules organiques qui composent les aérosols. <br>L'absorption des aérosols fixe le niveau de continu des spectres étudiés. Celle-ci est plus forte aux courtes longueurs d'onde et augmente lorsque l'altitude décroît. Un code d'inversion du continu a été développé afin de déterminer les profils de densité des aérosols et de modéliser leur transmission. L'hypothèse de départ est que les aérosols sont des agrégats fractals composés de sphères de 0,05 µm de rayon dont les propriétés optiques sont celles des tholins de Khare et al. (1984). Les modèles de transmission obtenus révèlent que seuls les agrégats comportant plus de 1 000 sphères sont compatibles avec les observations. De plus, l'absence des deux absorptions caractéristiques à 3 et 4,6 µm dans nos données soulignent les différences significatives entre les tholins et les aérosols réels. Les profils de densité des aérosols indiquent une augmentation exponentielle en dessous de 450 km, caractérisée par une échelle de hauteur de l'ordre de 60 km pour les données de l'occultation solaire (71°S) et de l'ordre de 50 km pour celle de l'occultation de Gamma Crucis (24°N). L'écart constaté est peut-être attribuable à la différence de latitude entre ces deux observations. Enfin, les données de l'occultation rasante d'Antarès comportent de<br>nombreuses variations de flux rapides et intenses (« spikes ») : elles sont attribuées à des ondes de gravité se propageant dans l'atmosphère de Titan.