Zugl.: Braunschweig, Techn. Univ., Diss., 2008

Le radar sondeur Sharad (NASA/ASI) prospecte actuellement la surface et le sous-sol de Mars àune fréquence de 20 ±5 MHz depuis une orbite polaire basse (Mars Reconnaissance Orbiter).L'instrument a pour but de contraindre la composition du sol et de détecter, puis d'interpréter, desinterfaces enfouies afin de restituer le contexte géologique martien à l'échelle régionale. Ce travail dethèse se propose de contribuer à ces objectifs en se focalisant principalement sur l'étude de terrainsglaciaires et péri-glaciaires Martien.Dans un premier temps, par une méthode d'inversion impliquant la reconstruction d'un sousbassementrocheux par interpolation, nous obtenons les paramètres diélectriques représentatifs duvolume de glace d'eau constituant la calotte polaire Nord, Planum Boreum. Nous en déduisons un tauxde pureté du matériel glaciaire > 95 %. Nous fournissons une carte de l'épaisseur des dépôts qui vérifieun volume de glace de 1,14106 km3.Dans une deuxième étude, en confrontant les transects Sharad à des données topographiques etd'imagerie visible, nous élaborons un profil morphologique et stratigraphique complet d'escarpementsglaciaires présents dans la région d'Ultimi Lobe, Planum Australe. Nous appelons ces escarpements"Laps" (large and assymetric polar scarps). La similarité avec des failles listriques associées à desanticlinaux de roll-over nous amène à proposer l'hypothèse de macro-ruptures mécaniques d'une glacesous contrainte extensive et d'un mouvement subséquent par glissement basal.Puis, nous nous intéressons à la réflectivité radar de la surface dont l'amplitude dépend de larugosité et de la permittivité du sol. Nous élaborons une méthode nous permettant de construire unecarte globale de la réflectivité. Afin de séparer les paramètres physiques qui constituent ce signal, nousproposons des méthodes statistiques simples, inspirés du SAR (radar à synthèse d'ouverture) terrestre,complétées par l'élaboration de modèles de rétrodiffusion de surface à incidence normale. Nousmontrons des résultats de cette approche et leur adéquation avec les modèles théoriques. Enfin, nousmettons en évidence une variation temporelle de la réflectivité aux pôles que nous attribuons à laprésence des condensats saisonniers de CO2. Notre méthode d'analyse statistique de la réflectivité,associée à un modèle de rétrodiffusion à trois couches, nous permet d'évaluer la variation d'épaisseurdes condensats dans des régions à très hautes latitudes (80°-85°). / This thesis presents several geophysical studies using the Sharad radar sounder dataset(NASA/ASI). Sharad is exploring the surface and subsurface of Mars with a frequency of 20  5 MHzfrom a low polar orbit. The mission goals are to constrain the soil composition and to detect someburied structures in order to interpret the Martian geological context at a regional scale.First, the radar signal has been analyzed over the North polar deposits to retrieve the dielectricproperties of the bulk ice. We deduce a purity rate of the ice > 95%. This study required thereconstruction of the bedrock by interpolating the surrounding topography. From this, we provide amap of the deposits thickness that agreed with a volume of ice of 1.14  106 km3.In a second study, we compare the Sharad cross-sections to surface topography and opticalimages in order to develop a complete morphologic and stratigraphic description of polar scarps in theregion of Ultimi Lobe, Planum Boreum. This description is similar to listric faults associated with rolloveranticlines. It leads us to propose a new formation process hypothesis implying a macromechanicalfailure of the ice under stress and a subsequent basal sliding.Then we studied the surface radar reflectivity whose magnitude depends on the roughness andpermittivity of the soil. We develop a method to build up a global map of the reflectivity. To separatethe physical parameters contributing to the signal, we propose a simple statistical method associated tosurface backscattering models at normal incidence. We show that the vertical roughness can bederived without prior calibration for surfaces whose correlation length is > 500 m. In this case,permittivity can be estimate only if a reference area is known to calibrate the signal. Finally, we detecta seasonal variation of the reflectivity at poles that we attribute to the seasonal CO2 frost. Ourstatistical approach for the reflectivity, associated with a three layers backscattering model, allowsderiving the thickness variation of the frost. We report a late recession in the cryptic region.

L'étude de l'atmosphère de la planète Mars repose sur la compréhension de sa structure thermique et du cycle de ses aérosols (poussière minérale et glace d'eau). Pour cela, une méthode de choix est l'utilisation d'un modèle de climat général, comparé aux observations satellite. Dans cette thèse, j'emploie le modèle de climat du Laboratoire de Météorologie Dynamique (LMD), en incluant tout d'abord un schéma de microphysique de la glace d'eau, ce qui permet de mieux reproduire les observations satellite du cycle de l'eau martien. Je poursuis cette étude en mettant en place un schéma d'assimilation de données pour le modèle du LMD. L'assimilation de données est une technique permettant d'estimer l'état atmosphérique grâce à une combinaison optimale d'un modèle et d'observations. L'objectif est d'assimiler des observations de profils verticaux de température, poussière, et glace de l'instrument Mars Climate Sounder avec une méthode de filtre de Kalman d'ensemble. L'assimilation de la température seule montre la nécessité d'estimer la présence et la quantité de poussière au moyen des covariances de l'ensemble pour diminuer le biais entre modèle et observations. L'assimilation conjointe des profils verticaux de température, poussières, et glace d'eau montre que les limitations de l'assimilation sont dues aux biais du modèle : phasage de l'onde de marée thermique, observations de variations diurnes inexpliquées de la poussière, mauvaise prédiction sur l'emplacement des nuages de glace d'eau, et un biais froid du modèle sous le niveau de 100 Pa. Toutefois, l'estimation de la poussière permet une prédictibilité du modèle jusqu'à plus d'une dizaine de jours dans cas les plus favorables. / The study of the atmosphere of Mars is based on the understanding of its thermal structure and the cycle of its aerosols (airborne dust and water ice). To do so, one preferred method is the use of a global climate model, compared to satellite observations.In this thesis, I employ the Laboratoire de Météorologie Dynamique (LMD) global climate model, first including a microphysical scheme of water ice clouds, resulting in a better reproduction of satellite observations of the Martian water cycle.I continue this study with the setup of a data assimilation scheme for the LMD model. Data assimilation is a technique that estimates the atmospheric state using an optimal combination of a model and observations. The goal is to assimilate observations of vertical profiles of temperature and aerosols from the instrument Mars Climate Sounder with an ensemble Kalman filter technique. The assimilation of temperature only shows the necessity to estimate dust using the ensemble covariances in order to decrease the bias between model and observations. The joint assimilation of vertical profiles of temperature, dust, and water ice shows that the assimilation performance is limited due to model biases: an incorrect phasing of the thermal tide, unexplained observed dust diurnal variations, a wrong prediction of water ice clouds location, and a model cold bias for temperatures below 100 Pa. However, dust estimation makes possible the predictability of the atmosphere, up to around ten days in the most favorable cases.

La recherche de trace de vie, passée ou présente, sur Mars est l’objectif principal de la mission martienne européenne ExoMars (ESA-Roscosmos), dont le lancement est prévu pour l’été 2020. Cette mission déposera à la surface de Mars un Rover équipé d'instruments dédiés notamment à l’étude du sous-sol de la planète dont une foreuse collectera des échantillons. Le travail de thèse présenté dans ce manuscrit porte sur la préparation du retour scientifique de l’expérience du radar WISDOM (Water Ice and Subsurface Deposits Observation on Mars) embarqué à bord du Rover d’ExoMars 2020 et dont l’objectif principal est la caractérisation, avant forage, du sous-sol proche de Mars.Les données recueillies par WISDOM permettront d’identifier les formations géologiques du sous-sol et de comprendre les processus qui en sont à l’origine. Elles guideront également les opérations de prélèvement d'échantillons en profondeur. L'objectif de cette thèse était de préparer les outils de traitements et d'interprétation de ces données. Les résultats obtenus doivent permettre d'exploiter au mieux les possibilités de l'instrument et d’atteindre les ambitieux objectifs technologiques (en termes notamment de résolution et de sensibilité) et scientifiques fixés. Plus précisément, il s’agissait de mettre en place des outils pour aboutir à une description des premiers mètres du sous-sol via l’interprétation des radargrammes de WISDOM en termes d’épaisseur de couche(s), de rugosité des interfaces, de distribution en taille d’éventuelles roches enfouies, d’orientation des strates et de constantes géo-électriques pour les unités géologiques détectées.Ce travail de thèse a permis la mise en place d’une chaîne de traitement de données ainsi que d’outils d’interprétation (traitement automatique et modélisation du radar).L’approche a été d’aborder le problème à la fois du point de vue théorique et du point de vue pratique. En conséquence, ce travail s’est appuyé sur deux aspects indissociables que sont, d’une part, la modélisation (analytique et numérique) du fonctionnement de l’instrument dans son environnement et, d’autre part, le traitement des données simulées et/ou expérimentales obtenues en milieu contrôlé ou lors de campagnes de mesures organisées dans le cadre de cette thèse. / The main objective of European ExoMars (ESA-Roscosmos) mission is to search for signs of past or present life on Mars. The mission, to be launched in summer 2020, will deliver a rover on the surface of Mars. This rover accommodates instruments designed to investigate the close subsurface and, in particular, a drill that will collect samples at depth ranging from 0.5 m to 2 m. This thesis manuscript relates the preparation of the scientific return of the WISDOM (Water Ice and Subsurface Deposits Observation on Mars) radar experiment whose main objective is to characterize, before drilling, the shallow subsurface of Mars.Data obtained by WISDOM will shed the light on geological structures in the subsurface and therefore help trace back the history of the investigated Martian sites. Furthermore, they will help to identify the most promising locations to collect samples without jeopardizing the drill. The objective of this thesis was to efficiently pave the way to data interpretation and appraise WISDOM’s potentiality.In order to reach the ambitious scientific and technologic objectives (especially in terms of resolution and sensitivity) of WISDOM, we have developed tools that rely on a deep understanding of the instrument. The ultimate goal of these tools is to provide a reliable representation of the shallow subsurface and quantitative interpretation in terms of thickness and orientation of underground layers, roughness at interfaces, distribution of buried rocks and geoelectrical constant for each geological unit detected.This thesis manuscript describes the signal processing chain and tools developed in order to prepare WISDOM’s scientific return. When possible, approaches based on automatic detection were preferred. This work relies both on theoretical and practical investigations, including an accurate (analytical and numerical) modeling of the instrument operations and test on experimental data acquired during field campaigns on potential Martian analogs.

The European Space Agency's ExoMars 2020 mission gives the astrobiology community the opportunity to scrutinise instrumentation, landing sites and proposed biosignatures in preparation for this mission. A miniaturised Raman spectrometer will be included as part of the payload instrumentation. The main focus of this work is to test the capabilities of this technique in support of this mission. The impact crater environment is one of the most valuable targets in search for life on Mars. One of the most well preserved craters on earth has evidence of microbial life in the post-impact hydrothermal deposits and the surface mineral crusts. Raman spectroscopy is able to identify more habitable forms of sulphate and detect photo-protective microbial pigments in the crusts. One of the building blocks of life is organic carbon. Raman spectroscopy will primarily be used to characterise organics, and as Mars has a limited atmosphere and lacks a global magnetic field, the surface of Mars is heavily oxidised. The effect that oxidation has on the Raman carbon signal is therefore important. Results show that hematite has an interfering band at the same frequency as the carbon D band, which could result in a misinterpretation of the carbon order, so caution must be taken. Oxidised iron could be a viable energy source of iron-reducing bacteria. One of the most common reduction morphologies in the geological record is the reduction spheroid. They are most likely formed by iron-reducing bacteria, and could be used as a biosignature on Mars. Results show that Raman spectroscopy is able to detect reduction spheroids by tracking the presence of hematite. Experimental work aiming to simulate the formation of a reduction spheroid was unsuccessful but shed light on the complexity of crystalline Fe(III) reduction. This work has highlighted the capabilities and limitations of Raman spectroscopy prior to the ExoMars mission.

Mariner 9 and Viking spacecraft observations during the 1970's have provided evidence for planetary-scale wave-like disturbances in the Mars atmosphere. It has been suggested that possible sources of the wave activity are dynamical instabilities (e.g., barotropic and/or baroclinic instabilities). An other candidate source is forced, quasi-stationary planetary waves. In connection with Mars' enormous relief, both mechanical forcing and large-scale thermal contrasts due to spatially varying surface thermal-inertia and albedo patterns should provide a strong source for planetary-wave activity. In this thesis, we attempt to model aspects of the observed wave activity, focusing on forced planetary waves in the wintertime atmosphere of Mars. Our approach is to apply two dynamical models: a linear primitive equations model and a quasi-linear 'wave, mean-flow' model. Both models have spherical geometry and represent deviations from zonal symmetry in terms of Fourier modes. The former model permits a separation of responses to different elements that make up the total forcing mechanism, whereas the latter is used principally to investigate the role forced planetary waves may play in the Mars polar warming phenomenon. Basic states representing relatively 'non-dusty' and 'highly dusty' conditions near winter solstice allow wavenumber-1 and -2 disturbances to propagate meridionally and vertically into the winter jet. Higher wavenumbers are strongly vertically trapped. Stationary waves in the northern and southern extratropics differ strongly in amplitude, phase and horizontal wave pattern. The possibility for near-resonant, long-period modes in Mars' winter atmosphere is also examined. For several wave-amplitude measures and dissipation strengths, dusty low-frequency responses are an order of magnitude larger than non-dusty ones. Wave, mean-flow simulations using wavenumber-1 or -2 forcings indicate north polar warmings can occur for the dusty basic states. The sensitivity (magnitude, location, and time scale) of a simulated warming to the wave forcing and the dissipation strength is investigated. / Graduation date: 1993

Dans le cadre de ce mémoire nous nous sommes intéressés au champ de gravité martien. Nous avons utilisé les données du géopotentiel afin de tenter de définir l'ellipsoïde de référence donnant la meilleure approximation de la forme géométrique de la planète. Ensuite, nous avons voulu tester quantitativement si les formes géomorphologiques observées dans l'hémisphère nord, qui suggèrent la présence d'un paléo-océan sur Mars, sont cohérentes avec les conditions géophysiques qui définissent les lignes de rivage observées sur Terre. Supposant que la forme de l'ellipsoïde de référence martien a varié au cours du temps, nous avons testé si les formes géomorphologiques possiblement modelées par un fluide ont enregistré cette déformation. Nous avons aussi calculé et illustré les neuf composantes du tenseur des dérivées secondes du potentiel de gravité afin de déterminer s'il serait pertinent d'envoyer d'un gradiomètre en orbite autour de Mars lors d'une future mission de l'Agence Spatiale Européenne (ESA). Les données du géopotentiel utilisées pour ces calculs ont été obtenues au cours des missions spatiales dirigées par la NASA depuis les années 70. Ces données sont sous forme de coefficients du développement en harmoniques sphériques du potentiel de gravité et sont disponibles sur le site web de MOLA. Suite au traitement des données nous avons montré qu'un ellipsoïde de référence triaxial représenterait mieux la forme de Mars que l'ellipsoïde biaxial actuel. Ensuite, nous avons conclu qu'un seul des linéaments identifiés comme paléo-lignes de rivage en a les caractéristiques physiques. Nous suggérons donc la possibilité d'au moins un paléo-océan sur Mars, durant le premier milliard d'années suivant sa formation. Cependant, la variation du géopotentiel le long de ce même linéament, suggère que la forme de l'ellipsoïde de référence a changé après la disparition de l'océan. D'autre part, nos calculs des neuf composantes du tenseur des dérivées secondes du géopotentiel nous permettent de conclure que la sensibilité des gradiomètres n'est pas encore suffisante pour fournir une plus grande résolution du champ de potentiel de gravité que les données actuellement acquises par effet Doppler.

Thesis (M.A.Geo.)--Texas State University--San Marcos, 2009. / Vita. Reproduction permission applies to print copy: Blanket permission granted per author to reproduce. Includes bibliographical references (leaves 44-47).

The north and south polar layered deposits (NPLD and SPLD respectively) of Mars are 2 – 3 km thick and mostly ice, comprising nearly all of the known water reserves on Mars. They are commonly believed to hold a detailed record of recent (~10 – 100 Myr) climate within their layers. Dominating the surface of the NPLD, intriguing spiral depressions called troughs, exhibit a pinwheel appearance. In late 2006, the Shallow Radar (SHARAD) instrument began making observations. SHARAD can detect internal structure within the PLD, making observations that are impossible with instruments that only inspect the surface. SHARAD data reveals a unique stratigraphic record associated with trough formation and migration. The troughs did not exist during deposition of the first half of NPLD accumulation but initiated some 1000 m below the current surface and have migrated as much as 100 km northward. Three processes are responsible for this migration: wind transport, insolation induced sublimation, and atmospheric deposition. I synthesize work from ground penetrating radar, optical imagery, established analogs, and atmospheric modeling in order to derive a process model that describes trough formation and evolution, including migration. The NPLD spiral troughs belong to a larger classification of features called cyclic steps, which can exist in either erosional or depositional environments. On the SPLD, troughs and a variety of other features exist. While SPLD features are more complex than NPLD troughs, they exist due to the same three processes. / text

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