Bochum, Univ., Diss., 2005.

Bochum, Universiẗat, Diss., 2005.

München, Techn. Universiẗat, Diss., 2000.

The arrival of the Cassini-Huygens mission to the Saturn system ushered in a new era in the study of Titan. Armed with a variety of instruments capable of remote sensing and in situ investigations of Titan's atmosphere and surface, Cassini and Huygens have provided a wealth of new information about Titan and have finally allowed humankind to see its surface. This work focuses on two discoveries made by the Cassini Plasma Spectrometer (CAPS): the detection of oxygen ions (O<super>+</super>) precipitating into Titan's atmosphere (Hartle et al., 2006) and the discovery of very large positive (Waite et al., 2007; Crary et al., 2009) and negative ions (Coates et al., 2007, 2009) present in Titan's thermosphere.Through the use of a photochemical model, I demonstrate that the observed densities of CO, CO₂ and H₂O can be explained by a combination of O and OH or H₂O input to the upper atmosphere. Given the detection of O<super>+</super> precipitation into Titan's upper atmosphere, it is no longer necessary to invoke outgassing from Titan's interior as a source for atmospheric CO or to assume that the observed CO is the remnant of a larger primordial abundance in Titan's atmosphere. Instead, it is most likely that the oxygen bearing species in Titan's atmosphere are the result of external input, most likely from Enceladus.I have also used very high resolution mass spectrometry to investigate the com- position of Titan aerosol analogues, or "tholins". Although there are an enormous number of molecules present in tholin samples, they exhibit numerous patterns, in- cluding very regular spectral spacing. These patterns may help constrain the com- position of the very large ions observed in the CAPS spectra, since the resolution of the instrument makes identification of the molecules impossible. Additionally, tholins produced with CO possess molecules of prebiotic interest, including all 5 nucleotide bases and the 2 smallest amino acids (glycine and alanine). This indicates that chemistry occurring in Titan's upper atmosphere may be capable of forming incredibly complex organic molecules, which may have implications for the origin of life on Earth and elsewhere in the universe.

Collections of straight, RADAR-bright, linear features, or BLFs, on Saturn's moon Titan are revealed in Cassini SAR (Synthetic Aperture RADAR) images. Most are widely distributed across the northern midlatitudes SAR on SAR swaths T18, T23, T30, T64, and T83 and in swath T56 in the southern midlatitudes. To understand the origin of these features, we compare them with terrestrial yardangs in Dunhuang, China, the Altiplano/Puna of Argentina, and the Lut Desert of Iran and with a similar morphological landform, linear dunes in the Namib Sand Sea, Namibia and on Titan. We apply a statistical classification model developed through random forests, a type of decision tree classification system, grown with terrestrial and titanian training data to the BLFs. To develop the classification, we measured sinuosity, width, spacing, and length for all of the BLFs and their possible terrestrial analogs. We interpret the features in T18, T64-1, and T83 as yardangs based upon morphological similarities between them and features in Iran and Argentina, such as overall SAR brightness, straightness, and lack of branching. Similarities exist between the BLFs and terrestrial yardangs in sinuosity and spacing—sinuosity values range from 1.00 to 1.04 for all the BLFs, and terrestrial yardangs in Iran range from 1.00 to 1.001. A generated statistical model classified a large number of yardangs in T18 and T64-1. In contrast, we interpret the BLFs in T23 and T30 as stabilized linear dunes due to similarities in sinuosity, spacing, and scale with linear dunes in the Namib Sand Sea and Titan swath T3. Stabilized linear dunes may be slightly brighter than the SAR-dark dunes due a change in dielectric constant from introduction of liquids and subsequent stabilization or from the formation of a crust over the top the feature. Sinuosities range from 1.00 to 1.37 in T23 and T30 whereas dunes in the Namib and in T3 range from 1.01 to 1.05. Branching behavior similar to dunes are also observed in BLFs in swaths T23 and T30. The BLF features in T56 in the southern hemisphere we interpret to be dune-related, likely SAR-bright (rough) inter-dune areas. We base this interpretation on the presence of SAR-dark lineations between the BLFs that may be linear dunes. The statistical model classifies few yardangs in T23, T30, and T56. We conclude that statistical classification of these features can be performed. We also show that yardang orientations may aid in the development of global climate and wind models as both current and paleo wind direction indicators.

Ce projet de thèse porte sur l'étude de la haute atmosphère de Titan à partir de mesures en laboratoire de sections efficaces d'absorption et de l'analyse des données de Cassini-UVIS.La caractérisation de l'instrument et des observations effectuées par UVIS était nécessaire. Les données provenant des canaux ultraviolet lointain (FUV) et ultraviolet extrême (EUV) d'UVIS ont été analysées et corrigées des effets instrumentaux. A partir de l'analyse de huit occultations solaires dans l'EUV, les profils de densité volumique de N2 et CH4 ont été déterminés par une méthode d'inversion avec régularisation. Les températures ont ensuite été obtenues à partir des profils de N2 en supposant une haute atmosphère isotherme. Les occultations stellaires dans le FUV ont été modélisés et une technique de détermination des densités caractérisée. La possibilité de détection de différentes molécules (dont certaines n'avaient jamais été observés par cette technique avant) a été analysée. Puis, en utilisant l'algorithme de minimisation de Levenberg–Marquardt, les profils de densité de colonne pour différents hydrocarbures et de profondeurs optiques pour les aérosols ont été obtenus à partir de données simulés. Les densités de colonne ont été inversées avec une procédure de régularisation afin d'obtenir des profils de densité volumique pour les hydrocarbures et des profils d'extinction pour les aérosols. La procédure a finalement été appliquée à deux occultations stellaires mesurées par UVIS. Les hydrocarbures étudiés sont CH4, C2H2, HCN, C2H4, C4H2, HC3N et C6H6.Les profils issus des occultations stellaires et solaires ont été obtenus pour différentes dates et des différents lieux. Les profils et les températures dérivés ont donc été analysés en fonction des variables géographiques et temporelles : latitude, longitude, date d'observation, etc. La variabilité atmosphérique est discutée à la lumière de ces résultats.Le benzène (C6H6), une molécule détectée dans l'atmosphère de Titan, est particulièrement importante car elle est considéré comme intermédiaire entre le gaz et la formation des particules solides. Des mesures de l'absorption du benzène dans le domaine ultraviolet, à des températures qui couvrent une gamme de température allant de l'ambiante à 215 K, ont été réalisées dans différentes installations internationales. A partir de ces mesures, la section efficace d'absorption du benzène a été déterminée et analysée en termes des transitions observées et en fonction de la température de mesure. Ces résultats ont été utilisés dans le calcul d'abondance de C6H6 dans la thermosphère de Titan comme indiqué dans les paragraphes précédents.En résumé, l'analyse des observations UVIS présentées contribuent à la caractérisation de la haute atmosphère à travers des profils de N2, de températures thermosphériques et des profils de différents hydrocarbures et nitrile. Ces données d'observation aideront à contraindre les modèles photochimiques. Les profils d'abondance donnés en fonction de différentes coordonnées géographiques et temporelles pourront être utilisés pour étudier plus avant la variabilité atmosphérique. Les résultats de ce travail aideront donc à la compréhension de la composition et la dynamique de l'haute atmosphère de Titan. Cette connaissance, combinée avec des informations sur la basse atmosphère et la surface de Titan, aidera à comprendre l'évolution de molécules organiques dans ce corps céleste abiotique voisin.Les résultats de ce travail aideront donc à la compréhension de la composition et la dynamique de la haute atmosphère de Titan. Cette connaissance, combinée avec des informations sur la basse atmosphère et la surface de Titan, aidera à comprendre l'évolution de molécules organiques dans ce corps céleste abiotique voisin / This PhD project focuses on the study of the upper atmosphere of Titan from the analysis of Cassini-UVIS data and laboratory measurements of absorption cross sections.A characterization of the UVIS instrument and observations was necessary. Data from the Far UltraViolet (FUV) and Extreme UltraViolet (EUV) channels of UVIS were analyzed and corrected for instrument effects. From the analysis of 8 solar occultations in EUV, N2 and CH4 number density profiles were derived with an inversion regularization method. Temperatures were obtained from the N2 profiles assuming an isothermal upper atmosphere. Stellar occultations in FUV were modeled and a density retrieval technique characterized. The possibility of detection for different molecules (some of them not detected by this technique before) was analyzed. Then, using a Levenberg-Marquardt minimization algorithm, column density profiles for different hydrocarbons and nitriles, and optical depth of aerosols were obtained from simulated data. The column densities and optical depth were inverted with a regularization method to obtain number density profiles for the molecules and extinction profiles for the aerosols. The procedure was finally applied to 2 stellar occultations measured by UVIS. The species studied are CH4, C2H2, HCN, C2H4, C4H2, C6H6, HC3N, CH3, and aerosols (AER). The profiles from the stellar and solar occultations were obtained for different times and locations. The temperatures derived were analyzed as a function of geographical and temporal variables---latitude, longitude, date of observation, etc.---without a clear correlation with any of them, although a trend of decreasing temperature towards the poles could be observed. The globally averaged temperature obtained is (144 +/- 2) K. Atmospheric variability was discussed on the light of these results.Benzene (C6H6) is an important molecule detected in Titan's atmosphere because it is thought to be intermediate between the gas and solid particle formation. Measurements of absorption in the ultraviolet by benzene gas, at temperatures covering the range from room temperature to 215 K, were performed in different international facilities. From them, benzene absorption cross sections were derived and analyzed in terms on the transitions observed. No significant variation with measurement temperature was observed. Implications of this results for the identification of benzene in Titan's thermosphere by UVIS were discussed. The absorption cross sections were used in the derivation of C6H6 abundances in Titan's thermosphere commented above.In summary the analysis of UVIS observations presented contribute to the characterization of the upper atmosphere through N2 density profiles, thermospheric temperatures, density profiles of minor species and extinction profiles from aerosols. This observational data will help to constrain and contrast photochemical models. The abundance profiles and temperatures given for different geographical and temporal coordinates can be used to further study the atmospheric variability. As a whole, the results of this work are expected to help in the understanding of Titan's upper atmospheric composition and dynamics. This knowledge, combined with information about Titan's lower atmosphere and surface, will help to understand the evolution of organic molecules in this neighboring abiotic celestial body

Les ceintures de radiation provoquent des dégâts irréversibles sur les satellites les traversant, détériorant ainsi les instruments de mesure embarqués. Les étudier est utile au développement de matériaux adaptés et résistants. Depuis les années 90, l'ONERA-DESP étudie les ceintures de radiations des planètes magnétisées, telle que la Terre ou Jupiter, grâce au modèle Salammbô. Salammbô prend en compte les processus physiques de l'environnement radiatif pour recréer les populations d'électrons peuplant les ceintures. Dans cette étude, il s'agit de développer un modèle des ceintures de radiations internes de Saturne, basé sur les travaux précédents. Avant les années 2000, Pioneer 11 et Voyager 2 ne permettaient pas un développement suffisamment avancé d'un modèle de ceintures de radiations de Saturne. La mission Cassini apporte ensuite quantités d'observations et de données pour mener une étude plus approfondie de ces ceintures. Cette thèse débute par l'analyse de la magnétosphère interne de Saturne : anneaux, satellites, nuages de neutres...L'interaction des particules des ceintures de radiations avec ces différents paramètres se traduit par le calcul de coefficients de diffusion. Ces coefficients sont intégrés à l'équation de transport et permettent de comprendre les mécanismes perturbant la distribution des électrons au sein des ceintures de radiations. Les résultats obtenus sont comparés aux mesures faites par les sondes Pioneer 11, Voyager 2 et Cassini. / Radiation belts cause irreversible damages to on-board instrument materials. Studies about radiation belts can be useful for development of materials that will stand such environment. Since the 1990's, ONERA develops models of radiation belts of magnetized planets, such as the Earth or Jupiter. These previous work lead to a physical model, named Salammbô. Salammbô is based on physical processes that dominate the planetary magnetosphere in order to recreate electron populations of radiation belts. ONERA is now able to develop an electron radiation belt model for Saturn's environment, i.e., a new version of Salammbô. Before the 2000's, Pioneer 11 and Voyager 2 did not allow a good development of a Salammbô model in the case of Saturn. Nowadays, the Cassini mission gives a lot of information about Saturn, its magnetosphere and its environment to start a study about radiation belts of Saturn. This thesis begins with the analyse of the kronian magnetosphere : rings, satellites, neutral clouds, etc. Interaction between radiation belt particle and these different parameters lead to diffusion coefficients. Diffusion coefficients are integrated into the Salammbô code and imply a better comprehension of mechanisms that can interfere with the electron distribution of radiation belts. Results have been compared with observations of Pioneer 11, Voyager 2 and Cassini spacecrafts.

La thèse a porté sur l’étude des émissions radio aurorales de Jupiter, produites proche de la fréquence cyclotron électronique locale par Instabilité Maser Cyclotron, alimentée par des électrons résonants d’énergies de quelques keV, accélérés le long des lignes de champ magnétique de haute latitude.J’ai tout d’abord repris, validé et étendu le code de simulation SERPE (Simulateur d’Émissions Radio Planétaire et Exo–planétaire) développé au LESIA, qui permet de produire des spectres dynamiques des émissions radio visibles pour un observateur donné. J’ai effectué une étude paramétrique des simulations des émissions radio induites par Io afin de quantifier le rôle des principaux paramètres libres du code (fonction de distribution et énergie des électrons, modèle de champ magnétique, position de la ligne de champ magnétique active et altitude de la coupure ionosphérique). Cette étude a confirmé que les émissions Io sont correctement reproduites seulement lorsque le rayonnement est oblique par rapport aux lignes de champ magnétique, ce qui est simulé par SERPE grâce à des fonctions de distribution électronique de type cône de perte. J’ai également montré que (a) les paramètres qui contrôlent principalement la forme des émissions simulées dans le plan temps-fréquence sont le modèle de champ magnétique et l’énergie des électrons, et que (b) les simulations sont en excellent accord avec les observations, moyennant une fenêtre d’incertitude temporelle de ±2 heures.À l’aide de ce code, j’ai réalisé des simulations au long cours des émissions radio induites par Io, et de celles attendues pour Europe, Ganymède et Callisto. En comparant ces simulations à plusieurs années d’observations de Jupiter enregistrées avec les instruments Voyager/PRA et Cassini/RPWS (ponctuellement complétées par celles du réseau décamétrique de Nançay), j’ai prouvé l’existence d’émissions radio induites par Europe et Ganymède. L’étude statistique de ces émissions m’a permis d’établir leur propriétés moyennes (extension en fréquence, variabilité temporelle, et occurrence). Ce résultat ouvre un nouveau champ d’étude à distance, et au long cours, des interactions planète–satellites autres que Io–Jupiter.La comparaison de ces simulations avec les observations Juno/Waves m’a permis d’identifier sans ambiguïté les émissions radio induites par Io, ainsi que leur hémisphère d’origine (sans connaitre leur polarisation, non–mesurée par Juno/Waves), pour un observateur proche de l’équateur (cas de la Terre), comme a des latitudes plus hautes. Grâce à ces simulations, j’ai également montré que les émissions sont visibles seulement si l’ouverture de l’angle d’émission est supérieure à 70°±5°.Enfin, j’ai entamé une étude statistique de la distribution spatiale des sources radio aurorales traversées par la sonde Juno. J’ai ainsi cartographié les sources des diverses composantes (kilométriques à décamétriques) des émissions radio joviennes. La comparaison avec des modèles de champ magnétique récents, ainsi qu’avec des images UV (Juno/UVS et Hubble/STIS) m’a permis de démontrer une corrélation des émissions radio avec l’ovale auroral principal. / The thesis focused on the study of Jupiter's auroral radio emissions, produced close to the local electronic cyclotron frequency by Maser Cyclotron instability, powered by resonant electrons of energies of a few keV, accelerated along high magnetic field lines at high latitude.I first took over, validated and extended the simulation code ExPRES (Exoplanetary and Planetary Radio Emissions Simulator) developed at LESIA, which allows to produce dynamic spectra of visible radio emissions for a given observer. I performed a parametric study of simulations of radio emissions induced by Io in order to quantify the role of the main free parameters of the code (distribution function and energy of the electrons, magnetic field model, position of the active magnetic field line and altitude of the ionospheric cutoff). This study confirmed that Io emissions are correctly reproduced only when the radiation is oblique to the magnetic field lines, which is simulated by ExPRES through loss cone electronic distribution functions. I have also shown that (a) the parameters that mainly control the shape of the simulated emissions in the time-frequency plane are the magnetic field model and the electron energy, and that (b) the simulations are in excellent agreement with observations, with a time window of uncertainty of ± 2 hours.Using this code, I produced long-term simulations of radio emissions induced by Io, and those expected for Europa, Ganymede and Callisto. Comparing these simulations with several years of Jupiter observations recorded with the Voyager / PRA and Cassini / RPWS instruments (punctually supplemented by those of the Nançay decametric array), I proved the existence of radio emissions induced by Europa and Ganymede. The statistical study of these emissions allowed me to establish their average properties (extension in frequency, temporal variability, and occurrence). This result opens a new field of study, remotely and in the long-term, of the planet-satellite interactions other than Io-Jupiter.The comparison of these simulations with the Juno / Waves observations allowed me to unambiguously identify the radio emissions induced by Io, as well as their hemisphere of origin (without knowing their polarization, not measured by Juno / Waves), for an observer close to the equator (case of the Earth), as at higher latitudes. Thanks to these simulations, I have also shown that the emissions are visible only if the opening of the emission angle is greater than 70 ° ± 5 °.Finally, I began a statistical study of the spatial distribution of auroral radio sources traversed by the Juno probe. I thus mapped the sources of the various components (kilometer to HF) of Jovian radio broadcasts. Comparison with recent magnetic field models, as well as UV imagery (Juno / UVS and Hubble / STIS) allowed me to demonstrate a correlation of radio emissions with the main auroral oval.

International Telemetering Conference Proceedings / October 30-November 02, 1995 / Riviera Hotel, Las Vegas, Nevada / Recent narrow band imagery of the surface of Titan reveals a very non-uniform surface. While there are no global oceans of liquid ethane/methane as once conjectured, the imagery does suggest the possibility of seas or lakes of liquid ethane, methane, and other organic materials. If these exist, Titan could be considered a gigantic analog model of the Earth's climate system complete with land masses, moderately thick atmosphere, and large bodies of liquid. By studying the climate of Titan, we could gain further understanding of the processes and mechanisms that shape the Earth's climate. Reuse of existing technology and methods may be a way to speed development and lower costs for the global study of Titan. Surprisingly, one of the key technologies could be a Transit or Global Positioning System (GPS) descendant for use in tracking probes wandering the surface of Titan.

International Telemetering Conference Proceedings / October 17-20, 1994 / Town & Country Hotel and Conference Center, San Diego, California / Current theories concerning the surface of Titan postulate the existence of large, possibly oceanic, bodies of liquid ethane/ammonia plus various other chemicals. ESA's Huygens probe is designed to gather oceanographic data on Titan. If the postulated oceans or lakes do exist, follow up missions of an oceanographic nature will be planned. This paper provides a concept for a modified XBT (eXpendable Bathymetric Thermograph) probe design that will provide more data than just temperature as a function of depth. By judicious use of acoustic telemetering links, data on the sound speed profile and constituents of the ocean can be obtained. The exo-oceanographic data collected will have important ramifications for oceanographic studies on Earth.