L'exosphère d'une planète est la région supérieure de son atmosphère, là où les collisions entre les particules constituant l'atmosphère deviennent négligeables. Sur Mars, la compréhension des mécanismes de la formation de cette exosphère et de son rôle dans l'interaction avec le vent solaire est particulièrement importante pour caractériser l'échappement de l'atmosphère et comprendre la disparition de l'eau liquide en surface. Le principal travail effectué au cours de cette thèse a consisté à étudier le lien entre l'exosphère et l'échappement dans les conditions solaires actuelles et à caractériser cette exosphère à l'aide des observations de la raie Lyman-a et du triplet de l'oxygène à 130.4 nm obtenues par le spectromètre UV de SPICAM à bord de la mission Mars Express en orbite autour de Mars depuis le 25 décembre 2003. Après avoir présenté le contexte général du problème de la disparition de l'eau lié à l'évolution climatique de Mars dans le chapitre introductif, je présente dans le premier chapitre l'état des connaissances actuelles sur la haute atmosphère de Mars et sur l'interaction entre la haute atmosphère et le vent solaire. Dans le deuxième chapitre je présente une étude de la formation de l'exosphère d'oxygène martienne réalisée à l'aide d'un modèle 3D de type Monte Carlo et le couplage de cette exosphère avec un modèle hybride 3D de l'interaction du vent solaire avec Mars réalisé par R. Modolo et G.M. Chanteur du CETP. Ce couplage a permis, pour la première fois de déterminer, de façon consistante, l'échappement de l'atmosphère de Mars par les principaux mécanismes actuels et de montrer notamment que l'échappement actuel d'oxygène était dominé par l'échappement sous forme de neutres (jamais mesuré à ce jour). L'influence de l'expansion de la couronne sur l'échappement ionique et sur le criblage est aussi étudiée. L'extrapolation des taux d'érosion actuels nous permet de déterminer une limite inférieure à l'échappement d'oxygène sur les quatre derniers milliards d'années. Dans le troisième chapitre, je présente les émissions UV observées dans la haute atmosphère de Mars ainsi que le spectromètre UV de SPICAM à bord de la mission Mars Express. Dans ce chapitre, sont aussi détaillées, la méthode de traitement des données consistant notamment au retrait du courant d'obscurité, à la calibration absolue des données et à l'estimation de l'intensité des émissions exosphériques Lyman-a de l'hydrogène atomique à 121.6 nm et du triplet de l'oxygène (non résolu) à 130.4 nm ainsi que la reconstruction des lignes de visées de l'instrument. Le quatrième chapitre présente les deux modèles de transfert de rayonnement utilisés pour analyser les raies exosphériques observées par SPICAM : un modèle itératif avec redistribution complète en fréquence qui a été utilisé pour simuler la diffusion résonante des photons solaires par les atomes d'hydrogène de la haute atmosphère martienne ; un modèle Monte Carlo avec redistribution partielle en fréquence qui a été utilisé pour simuler la diffusion résonante des photons solaires ainsi que la diffusion résonante des photons émis suite à l'excitation des atomes d'oxygènes par l'impact des photo-électrons. Dans le cinquième chapitre, je présente l'analyse des quelques profils d'intensité de l'émission Lyman-a de l'hydrogène atomique observés par SPICAM comparés avec des 8 profils théoriques. Cette étude sensible à la calibration absolue de l'instrument montre qu'indépendamment de la calibration absolue de l'instrument une composante chaude d'hydrogène exosphérique est nécessaire pour reproduire les profils observés par SPICAM. L'importance de cette population chaude dont l'origine reste indéterminée diminue lorsque l'illumination solaire diminue. Cette population chaude joue un rôle majeur dans l'échappement de l'hydrogène actuel. Enfin dans le sixième et dernier chapitre, je présente l'analyse de quelques profils d'intensité de l'émission de l'oxygène atomique à 130.4 nm obtenus par SPICAM toujours en comparant les profils observés avec des profils théoriques. Dans cette étude on montre que l'excitation par l'impact des photoélectrons est négligeable devant l'excitation par les photons solaires dans la haute atmosphère de Mars et l'on en déduit la densité d'oxygène à l'exobase ainsi que le rapport de mélange [O]/[CO2] à 135 km particulièrement important pour caractériser l'équilibre thermique de la haute atmosphère. Là encore une population chaude (dont l'origine est connue) semble avoir une influence sur la température exosphérique estimée. Deux annexes présentent respectivement la méthode utilisée pour produire des profils thermiques théoriques de densité d'oxygène, d'hydrogène et de dioxyde de carbone dans l'exosphère de Mars (Annexe A) et dans la thermosphère de Mars (Annexe B).

Je présente une analyse multidisciplinaire du comportement d’une exosphère d’un satellite dont la limite inférieure est une surface solide. Une exosphère par définition n’a pas de limite supérieure, est constituée d’un gaz dont la dynamique n’est pas régie par des collisions et correspond à la région d’interaction entre un objet planétaire et sa planète mère ou étoile. Dans cette thèse, je montrerai qu’une population exosphérique d’un satellite qui serait volatile et dont la dynamique serait fortement dépendante de la température de surface, aura une évolution orbitale synchrone avec le cycle diurne. Par exemple, l’oxygène moléculaire autour d’Europa et de Ganymède, satellites de Jupiter,devrait suivre une telle évolution. Je m’attacherai donc à comparer les résultats d’un modèle 3D Monte Carlo reconstruisant l’évolution de cette exosphère et les observations d’émissions aurorales par le télescope Hubble pour souligner la persistance d’une asymétrie matin/soir caractéristique de ce cycle diurne. Par ailleurs,une analyse plus théorique de l’origine de cette asymétrie nous suggère qu’un réservoird’O2 sous forme gazeuse dans le régolite pourrait être à l’origine de la formation de cette exosphère. En plus de la description de l’O2 exosphérique autour d’Europa, je soulignerai les différences notables avec l’H2O et ses produits. Enfin, j’ai également travaillé à la caractérisation d’une nouvelle technologie pour une source d’ionisation basée sur l’utilisation de nano-tubes de carbone. Cet émetteur d’électron utilisé pour la spectrométrie de masse neutre s’avère nettement plus efficace que les émetteurs classiquement utilisés dans le spatial et devrait donc nous aider à explorer ces exosphères. / I present a multidisciplinary analysis on the behavior of asurface-bounded exosphere synchronously rotating about its primary. Anexosphere is the boundless, external envelope of gas extending from aplanetary surface or atmosphere. This collisionless gas represents theinterface between planets and stars, as it directly interacts with theinterplanetary medium. Should the exosphere possess a population ofvolatiles strongly coupled with the surface temperature, the exospherewill be capable of experiencing a diurnal cycle over an orbitalperiod. I provide the first evidence of the existence of such adiurnal cycle in the molecular oxygen exospheres of two of Jupiter’sicy moons: Europa and Ganymede. The evidence was surmounted by anin-depth comparison between the near-surface ultraviolet oxygenaurorae observations by the Hubble Space Telescope and 3-D Monte Carlosimulations of Europa’s near-surface O2 exosphere, where both auroraeand exospheres where found to be strongly peaking at dusk. Thedusk-over-dawn asymmetry analysis also provides evidence that Europamay harbor a large O2 reservoir embedded in its ice today. Inaddition to O2 , I present the first orbital simulations of all knownwater-products at Europa, and provide perspectives on discerning theeffects of cryovolcanism on the exosphere. Lastly, at LATMOS, Icharacterized a novel ionization source: a carbon nanotube electrongun (CNTeg). This in-situ device used for neutral mass spectrometry,may prove to be a very efficient electron emitter (P < 10 milliWatts)and should aid future searches to detect trace gases in any exosphere.

Ganymède, une lune de Jupiter, est le plus grand et le plus massif des satellites de notre système solaire. Cet objet a été observé depuis la Terre, notamment grâce au télescope Hubble (HST), et in situ par la sonde Galileo. Grâce à ces observations, une atmosphère très ténue, ou exosphère,principalement composée d'hydrogène, d'oxygène et d'oxygène moléculaire, a été détectée au voisinage de Ganymède. Ganymède est l'unique lune du système solaire possédant son propre champ magnétique intrinsèque, qui, en interagissant avec le plasma magnétosphérique jovien, génère unemini-magnétosphère. Cette magnétosphère est imbriquée dans celle de Jupiter. C'est le seul cas connu d'interaction entre deux magnétosphères. Galileo est l'une des seules sondes spatiales ayant investigué l'environnement complexe de Ganymède. La prochaine mission spatiale qui étudiera ce satellite estune mission européenne de l'ESA : JUICE (JUpiter ICy moon Exploration). Dans le cadre de cette mission, et dans un but de mieux connaître ce satellite, mon travail de thèse a consisté à modéliser l'environnement global neutre et ionisé de Ganymède.La première partie de mon travail de thèse a été consacrée à l'étude de l'exosphère de Ganymède à l'aide d'un modèle 3D Monte-Carlo. J'ai parallélisé ce modèle afin d'améliorer ses performances et d'enrichir la physique décrite par le modèle. Les résultats sont comparés à ceux d'autres modèles, ainsi que les observations effectuées par le HST et Galileo. L'environnement ionisé, en particulier la magnétosphère de Ganymède, a été ensuite étudié à l'aide d'un modèle hybride parallèle 3D, notamment en se plaçant dans les conditions d'observations de Ganymède par Galileo. Les résultats sont globalement cohérents avec les observations, et concordent avec ceux d'autres modèles, maismontrent néanmoins une nécessité d'améliorer significativement la résolution spatiale du modèle. De ce fait, une partie significative de mon travail de thèse a été dédiée au développement et à l'implémentation d'une approche multi-grilles au sein du modèle hybride, pour améliorer la résolution spatiale d'un facteur 2 dans le voisinage proche du satellite. Enfin, les résultats obtenus avec ce modèle optimisé sont confrontés aux observations de Galileo. / Jupiter’s moon Ganymede is the biggest and most massive satellite of our solar system. Thisobject has been observed from the Earth, with the Hubble Space Telescope (HST), and through in situ measurements by Galileo spacecraft. Thanks to these observations, a very tenuous atmosphere, or exosphere, has been detected at Ganymede. It is mainly composed of atomic hydrogen, atomic oxygen, and molecular oxygen. Ganymede is the only moon of the solar system to have its own intrinsic magnetic field, which generates a minimagnetosphere interacting with the magnetospheric jovian plasma. This magnetosphere is embedded in the jovian magnetosphere. It is the only known case of interaction between two magnetospheres. Galileo is the only mission that has investigated the complex ionized environment of Ganymede. The next space mission dedicated to investigate the Jovian magnetosphere and its galilean satellite is an European mission from ESA : JUICE (Jupiter ICy moons Explorer). In the frame of this mission, and to prepare future observations at Ganymede, my thesis work has consisted in modeling the global neutral and ionized environment of Ganymede. The first part of my thesis work has been dedicated to the study of Ganymede’s exosphere with a 3D Monte-Carlo model. I have parallelized this model to improve its performance and to enrich the physics described by the model. Results have been compared to those of other models, and to HST and Galileo observations. The ionized environment, in particular the magnetosphere of Ganymede, has then been studied with a 3D parallel hybrid model,considering the observation conditions of Galileo. Results are globally consistent with the observations and with other models, but show the necessity to significantly improve the spatial resolution. Therefore, a significant part of my work has been dedicated to the development of a multi-grid approach in the hybrid model, to divide by 2 the spatial resolution at the vicinity of Ganymede. Finally, results obtained with the optimized model are compared to Galileo observations.

<p>The Neutral Particle Detector (NPD) is a new type of instrumentation for energetic neutral atom (ENA) diagnostics. This thesis deals with development of the NPD sensor designed as a part of the plasma and neutral particle packages ASPERA-3 and ASPERA-4 on board Mars Express and Venus Express, the European Space Agency (ESA) satellites to Mars and Venus, respectively. It describes how the NPD sensors were designed, developed, tested and calibrated. </p><p>It also presents the first scientific results obtained with NPD during its operation at Mars. </p><p>The NPD package consists of two identical detectors, NPD1 and NPD2. Each detector has a 9^o x 90^o intrinsic field-of-view divided into three sectors. The ENA detection principle is based on the surface interaction technique. NPD detects ENA differential fluxes within the energy range of 100 eV to 10 keV and is capable of resolving hydrogen and oxygen atoms by time-of-flight (TOF) measurements or pulse height analysis.</p><p>During the calibration process the detailed response of the sensor was defined, including properties such as an angular response function and energy dependent efficiency of each of the sensor sectors for different ENA species. </p><p>Based on the NPD measurements at Mars the main scientific results reported so far are:</p><p>- observation of the Martian H-ENA jet / cone and its dynamics, </p><p>- observations of ENA emissions from the Martian upper atmosphere, </p><p>- measurements of the hydrogen exosphere density profile at Mars, </p><p>- observations of the response of the Martian plasma environment to an interplanetary shock, </p><p>- observations of the H-ENA fluxes in the interplanetary medium.</p>

The Neutral Particle Detector (NPD) is a new type of instrumentation for energetic neutral atom (ENA) diagnostics. This thesis deals with development of the NPD sensor designed as a part of the plasma and neutral particle packages ASPERA-3 and ASPERA-4 on board Mars Express and Venus Express, the European Space Agency (ESA) satellites to Mars and Venus, respectively. It describes how the NPD sensors were designed, developed, tested and calibrated. It also presents the first scientific results obtained with NPD during its operation at Mars. The NPD package consists of two identical detectors, NPD1 and NPD2. Each detector has a 9o x 90o intrinsic field-of-view divided into three sectors. The ENA detection principle is based on the surface interaction technique. NPD detects ENA differential fluxes within the energy range of 100 eV to 10 keV and is capable of resolving hydrogen and oxygen atoms by time-of-flight (TOF) measurements or pulse height analysis. During the calibration process the detailed response of the sensor was defined, including properties such as an angular response function and energy dependent efficiency of each of the sensor sectors for different ENA species. Based on the NPD measurements at Mars the main scientific results reported so far are: - observation of the Martian H-ENA jet / cone and its dynamics, - observations of ENA emissions from the Martian upper atmosphere, - measurements of the hydrogen exosphere density profile at Mars, - observations of the response of the Martian plasma environment to an interplanetary shock, - observations of the H-ENA fluxes in the interplanetary medium.

<p>This thesis deals with the development and calibrations of sensors to measure energetic neutral atoms (ENAs) at Mars, Venus, and the Earth. ENAs are formed in charge exchange processes between energetic, singly--charged ions and a cold neutral gas. Since ENAs can travel in long straight trajectories, unaffected by electric or magnetic fields, they can be used to remotely image plasma interactions with neutral atmospheres. ENA instrument techniques have matured over the last decade and ENA images of the Earth's ring current for example, have successfully been analyzed to extract ion distributions and characterize plasma flows and currents in the inner magnetosphere.</p><p>Three different ENA sensors have been developed to image ENAs at Mars, Venus, and the Earth. Two of them, the nearly identical Neutral Particle imagers (NPIs) are on-board the Mars Express and Venus Express spacecraft as a part of the Analyzer of Space Plasmas and Energetic Atoms (ASPERA-3 and 4) instruments. The third is the Neutral Atom Detector Unit, NUADU, aboard the TC-2 spacecraft of the Double Star mission. The NPI design is based on a surface reflection technique to measure low energy (~0.3-60 keV) ENAs, while the NUADU instrument is based on a simple design with large geometrical factor and solid state detectors to measure high energy ENAs (~20-300 keV).</p><p>The calibration approach of both NPI sensors were to define the detailed response, including properties such as the angular response function and efficiency of one reference sensor direction then find the relative response of the other sensor directions. Because of the simple geometry of the NUADU instrument, the calibration strategy involved simulations to find the cutoff energy, geometrical factor and angular response. The NUADU sensor head was then calibrated to find the response to particles of different mass and energy. The NPI sensor for the Mars Express mission revealed a so-called priority effect in the sensor that lowers the angular resolution at high detector bias. During the calibration of the Venus Express NPI sensor tests were made which showed that the priority effect is a result of low amplitude (noise) pulses generated in the detector system. The conclusion is that the effect is caused by capacitive couplings between different anode sectors of the sensor. The thresholds on the preamplifiers were set higher on the Venus Express NPI, which removed the priority effect.</p><p>Two of the three ENA experiments, the Double Star NUADU instrument and the Mars Express NPI sensor, have successfully measured ENAs that are briefly described in the thesis. The first ENA measurements at Mars were performed with Mars Express. Initial results from the NPI include measurements of ENAs formed in the Martian magnetosheath and solar wind ENAs penetrating to the nightside of Mars. The first results from NUADU in Earth orbit show the expected ENA emissions from a storm time ring current. Also, together with the HENA instrument on the IMAGE spacecraft, NUADU have produced the first multi-point ENA image of the ring current.</p>

This thesis deals with the development and calibrations of sensors to measure energetic neutral atoms (ENAs) at Mars, Venus, and the Earth. ENAs are formed in charge exchange processes between energetic, singly--charged ions and a cold neutral gas. Since ENAs can travel in long straight trajectories, unaffected by electric or magnetic fields, they can be used to remotely image plasma interactions with neutral atmospheres. ENA instrument techniques have matured over the last decade and ENA images of the Earth's ring current for example, have successfully been analyzed to extract ion distributions and characterize plasma flows and currents in the inner magnetosphere. Three different ENA sensors have been developed to image ENAs at Mars, Venus, and the Earth. Two of them, the nearly identical Neutral Particle imagers (NPIs) are on-board the Mars Express and Venus Express spacecraft as a part of the Analyzer of Space Plasmas and Energetic Atoms (ASPERA-3 and 4) instruments. The third is the Neutral Atom Detector Unit, NUADU, aboard the TC-2 spacecraft of the Double Star mission. The NPI design is based on a surface reflection technique to measure low energy (~0.3-60 keV) ENAs, while the NUADU instrument is based on a simple design with large geometrical factor and solid state detectors to measure high energy ENAs (~20-300 keV). The calibration approach of both NPI sensors were to define the detailed response, including properties such as the angular response function and efficiency of one reference sensor direction then find the relative response of the other sensor directions. Because of the simple geometry of the NUADU instrument, the calibration strategy involved simulations to find the cutoff energy, geometrical factor and angular response. The NUADU sensor head was then calibrated to find the response to particles of different mass and energy. The NPI sensor for the Mars Express mission revealed a so-called priority effect in the sensor that lowers the angular resolution at high detector bias. During the calibration of the Venus Express NPI sensor tests were made which showed that the priority effect is a result of low amplitude (noise) pulses generated in the detector system. The conclusion is that the effect is caused by capacitive couplings between different anode sectors of the sensor. The thresholds on the preamplifiers were set higher on the Venus Express NPI, which removed the priority effect. Two of the three ENA experiments, the Double Star NUADU instrument and the Mars Express NPI sensor, have successfully measured ENAs that are briefly described in the thesis. The first ENA measurements at Mars were performed with Mars Express. Initial results from the NPI include measurements of ENAs formed in the Martian magnetosheath and solar wind ENAs penetrating to the nightside of Mars. The first results from NUADU in Earth orbit show the expected ENA emissions from a storm time ring current. Also, together with the HENA instrument on the IMAGE spacecraft, NUADU have produced the first multi-point ENA image of the ring current.

Here I study the “plasma interactions with icy bodies in the solar system”, that is, my quest to understand the fundamental processes that govern such interactions. By using numerical modelling combined with in situ observations, one can infer the internal structure of icy bodies and their plasma environments. After a broad overview of the laws governing space plasmas a more detailed part follows. This contains the method on how to model the interaction between space plasmas and icy bodies. Numerical modelling of space plasmas is applied to the icy bodies Callisto (a satellite of Jupiter), the dwarf planet Ceres (located in the asteroid main belt) and the comet 67P/Churyumov-Gerasimenko. The time-varying magnetic field of Jupiter induces currents inside the electrically conducting moon Callisto. These create magnetic field perturbations thought to be related to conducting subsurface oceans. The flow of plasma in the vicinity of Callisto is greatly affected by these magnetic field perturbations. By using a hybrid plasma solver, the interaction has been modelled when including magnetic induction and agrees well with magnetometer data from flybys (C3 and C9) made by the Galileo spacecraft. The magnetic field configuration allows an inflow of ions onto Callisto’s surface in the central wake. Plasma that hits the surface knocks away matter (sputtering) and creates Callisto’s tenuous atmosphere. A long term study of solar wind protons as seen by the Rosetta spacecraft was conducted as the comet 67P/Churyumov-Gerasimenko approached the Sun. Here, extreme ultraviolet radiation from the Sun ionizes the neutral water of the comet’s coma. Newly produced water ions get picked up by the solar wind flow, and forces the solar wind protons to deflect due to conservation of momentum. This effect of mass-loading increases steadily as the comet draws closer to the Sun. The solar wind is deflected, but does not lose much energy. Hybrid modelling of the solar wind interaction with the coma agrees with the observations; the force acting to deflect the bulk of the solar wind plasma is greater than the force acting to slow it down. Ceres can have high outgassing of water vapour, according to observations by the Herschel Space Observatory in 2012 and 2013. There, two regions were identified as sources of water vapour. As Ceres rotates, so will the source regions. The plasma interaction close to Ceres depends greatly on the source location of water vapour, whereas far from Ceres it does not. On a global scale, Ceres has a comet-like interaction with the solar wind, where the solar wind is perturbed far downstream of Ceres. / Här studerar jag “plasmaväxelverkan med isiga kroppar i solsystemet”, det vill säga, min strävan är att förstå de grundläggande processerna som styr sådana interaktioner. Genom att använda numerisk modellering i kombination med observationer på plats vid himlakropparna kan man förstå sig på deras interna strukturer och rymdmiljöer. Efter en bred översikt över de fysiska lagar som styr ett rymdplasma följer en mer detaljerad del. Denna innehåller metoder för hur man kan modellera växelverkan mellan rymdplasma och isiga kroppar. Numerisk modellering av rymdplasma appliceras på de isiga himlakropparna Callisto (en måne kring Jupiter), dvärgplaneten Ceres (lokaliserad i asteroidbältet mellan Mars och Jupiter) och kometen 67P/Churyumov-Gerasimenko. Det tidsvarierande magnetiska fältet kring Jupiter inducerar strömmar inuti den elektriskt ledande månen Callisto. Dessa strömmar skapar magnetfältsstörningar som tros vara relaterade till ett elektriskt ledande hav under Callistos yta. Plasmaflödet i närheten av Callisto påverkas i hög grad av dessa magnetfältsstörningar. Genom att använda en hybrid-plasma-lösare har växelverkan modellerats, där effekten av magnetisk induktion har inkluderats. Resultaten stämmer väl överens med magnetfältsdata från förbiflygningarna av Callisto (C3 och C9) som gjordes av den obemannade rymdfarkosten Galileo i dess bana kring Jupiter. Den magnetiska konfigurationen som uppstår möjliggör ett inflöde av laddade joner på Callistos baksida. Plasma som träffar ytan slår bort materia och skapar Callistos tunna atmosfär. En långtidsstudie av solvindsprotoner sett från rymdfarkosten Rosetta utfördes då kometen 67P/Churyumov-Gerasimenko närmade sig solen. Ultraviolett strålning från solen joniserar det neutrala vattnet i kometens koma (kometens atmosfär). Nyligt joniserade vattenmolekyler plockas upp av solvindsflödet och tvingar solvindsprotonernas banor att böjas av, så att rörelsemängden bevaras. Denna effekt ökar stadigt då kometen närmar sig solen. Solvinden böjs av kraftigt, men förlorar inte mycket energi. Hybridmodellering av solvindens växelverkan bekräftar att kraften som verkar på solvinden till störst del får den att böjas av, medan kraften som verkar till att sänka dess fart är mycket lägre. Ceres har enligt observationer av rymdteleskopet Herschel under 2012 och 2013 haft högt utflöde av vattenånga från dess yta. Där har två regioner identifierats som källor för vattenångan. Eftersom Ceres roterar kommer källornas regioner göra det också. Plasmaväxelverkan i närheten av Ceres beror i hög grad på vattenångskällans placeringen, medan det inte gör det långt ifrån Ceres. På global nivå har Ceres en kometliknande växelverkan med solvinden, där störningar i solvinden propagerar långt nedströms från Ceres.