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).

Mars is the fourth planet of the Solar System starting from the Sun. Compared to Earth, Mars has an atmosphere that is significantly thinner and undergoes also a seasonal cycle that is more marked. A Martian year lasts about two terrestrial years. One of the particularity of the Martian atmosphere is the continuous presence of an airborne dust layer.SPICAM is an instrument on board the Mars-Express satellite orbiting around Mars since the end of 2003. This instrument is divided in two modules: SPICAM/IR, a infrared spectrometer (1.0 - 1.7 µm) and SPICAM/UV, a spectrometer working in the ultraviolet range (106 - 317 nm). In this work, we have analysed the SPICAM/UV measurements that have been recorded in nadir viewing and in the spectral interval between 220 and 290 nm.The analysis of this spectral domain allows to study different species and constituents of the Martian atmosphere such as ozone, dust and ice clouds. In the frame of this work, we have developed a method capable of inverting the SPICAM spectra obtained in nadir viewing in order to simultaneously retrieve the integrated quantities of these different species i.e. the ozone total column, and the integrated optical depths of dust and ice clouds. The method is based on a radiative transfer code that allows to take into account the scattering of light by the different molecules and aerosols of the Martian atmosphere. The surface reflectivity is also considered and is retrieved in the cases where no ice clouds are present in the observed scenes, ice clouds reducing the sensitivity in the surface albedo. Therefore, a cloud detection algorithm has been developed and its results were compared with results obtained with other methods and instruments for validation.Our method has been used to invert the data measured by SPICAM/UV over more than four Martian years which allowed to obtain climatologies of the different studied species: the spatial and seasonal distributions of the ozone column, the optical depths of dust and ice clouds and also the surface albedo are presented in this work. These distributions are discussed and compared to those obtained in previous works obtained with other instruments.This work is also a preparation for the future measurement analysis of the NOMAD/UVIS, an instrument that will be on board the ExoMars Trace Gas Orbiter which is planned to be launched in the beginning of 2016. The algorithm developed in this thesis has also been used to assess performances of NOMAD/UVIS such as the detection limits of particular gases (O3, SO2 et NH3) and the values of the signal-to-noise ratio. / Mars est la quatrième planète du Système Solaire en partant du Soleil. Comparée à la Terre, Mars se caractérise par une atmosphère significativement plus ténue, et possède également un cycle annuel des saisons plus marqué. Une année martienne dure environ deux années terrestres. Une des particularités de l'atmosphère de Mars réside en la présence persistante d'une couche de poussière en suspension.SPICAM est un instrument embarqué à bord du satellite Mars-Express qui orbite autour de Mars depuis fin 2003. Il comprend deux modules: SPICAM/IR, un spectromètre infrarouge (1.0 - 1.7 µm) et SPICAM/UV, un spectromètre opérant dans le domaine ultraviolet (106 - 317 nm). Dans le cadre de ce travail, nous avons analysé les mesures de SPICAM/UV obtenues en visée nadir dans l'intervalle spectral s'étendant de 220 à 290 nm.L'analyse de ce domaine spectral permet d'étudier différentes espèces ou constituants de l'atmosphère martienne telles que l'ozone, les poussières ainsi que les nuages de glace. Dans le cadre de ce travail, nous avons développé une méthode capable d'inverser les spectres SPICAM/UV en visée nadir afin de restituer simultanément les quantités intégrées de ces différentes espèces, à savoir la colonne totale d'ozone ainsi que l'opacité intégrée des poussières et des nuages. Cette méthode est basée sur un code de transfert radiatif, permettant de tenir compte de la diffusion de la lumière par les particules en suspension dans l'atmosphère martienne. La réflectivité de la surface martienne est également étudiée et restituée pour les cas où aucun nuage n'est présent dans les scènes observées, les nuages réduisant la sensibilité en l'albédo de surface. Pour ce faire, un algorithme de détection des nuages a été développé et ses résultats ont été comparés avec les résultats obtenus par d'autres méthodes et instruments afin de le valider.Notre méthode d'inversion a été utilisée pour analyser les données recueillies par SPICAM/UV pendant plus de 4 années martiennes, permettant d'obtenir une climatologie des différentes espèces étudiées: des distributions spatiales et saisonnières de la colonne d'ozone, de l'opacité des poussières et nuages de glace ainsi que de l'albédo de surface sont présentées dans ce travail. Ces distributions sont discutées et comparées à celles obtenues dans des travaux antérieurs à l'aide d'autres instruments.Ce travail constitue également une préparation en vue de l'analyse des données de l'instrument NOMAD/UVIS, supervisé par l'IASB-BIRA, et qui sera lancé à bord de la sonde ExoMars Trace Gas Orbiter en direction de Mars au début de l'année 2016. L'algorithme développé dans ce travail a notamment été utilisé pour l'estimation de performances de NOMAD/UVIS telles que les limites de détection de certains gaz (O3, SO2 et NH3) ou encore les valeurs du rapport de signal-sur-bruit. / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished

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 l'atmosphère et comprendre la disparition de l'eau liquide de la surface de Mars. Le principal travail effectué au cours de cette thèse a consisté à étudier le lien entre l'exosphère et l'échappement de l'eau dans les conditions solaires actuelles. Pour étudier cet échappement, un modèle décrivant la production d'oxygène chaud par recombinaison dissociative des ions O2+ a été développé. Ce modèle couplé à un modèle décrivant l'interaction du vent solaire avec l'atmosphère de Mars a permis de déterminer l'échappement d'oxygène dû aux principaux mécanismes d'érosion. Par ailleurs l'analyse des émissions exosphériques Lyman- de l'hydrogène et du triplet à 130.4 nm de l'oxygène observées par l'instrument SPICAM à bord de la mission européenne Mars Express a permis de caractériser les couronnes d'oxygène et d'hydrogène et de déterminer le flux d'échappement d'hydrogène.

Cette thèse présente trois techniques innovantes de spectrométrie, l'une en domaine infrarouge, l'autre en visible, et la troisième en ultraviolet. Deux d'entres elles sont utilisées par l'instrument Spicam-Light à bord de la sonde spatiale Mars-Express pour l'étude de l'atmosphère de Mars. La troisième concerne la spectrométrie à haute résolution depuis le sol, et est dédiée aux mesures de vitesses radiales stellaires pour la recherche de planètes extrasolaires à l'Observatoire de Haute Provence avec l'Accéléromètre Astronomique Absolu.<br />L'étude présente le concept révolutionnaire des spectromètres UV et IR de l'instrument Spicam-Light à travers une description technique détaillée. Elle s'accompagne des résultats, des étalonnages, des estimations photométriques avant l'envol et des performances en vol. L'étude sur l'AAA expose le développement instrumental important de cet appareil. Elle s'accompagne des résultats obtenus pour illustrer ses performances actuelles et potentielles.