Prelude to the Venus Express mission : a study of the atmosphere using infrared spectral imaging. - Archive ouverte HAL Access content directly
Theses Year : 2006

Prelude to the Venus Express mission : a study of the atmosphere using infrared spectral imaging.

Prélude à la mission Venus Express : étude de l'atmosphère par spectro-imagerie infrarouge

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Abstract

Since the discovery of the night-side infrared emission from Venus in 1983 by Allen and Crawford, which may be observed in a few spectral windows, its origin and scientific value has been fully recognised. The carbon dioxide opacity is low enough within some narrow atmospheric windows so that the thermal radiation from the deep (25-40 km) and hot (400-500 K) layers can reach an external observer. These emissions, in particular from the spectral interval extending from 2.2 until 2.5 µm, provide a unique investigation vector to study the tropospheric layers located beneath the thick cloudy layers, in particular in terms of chemical composition thanks to some absorption bands of minor components whose vertical profiles could be measured, such as CO, OCS, H2O and SO2. Studying local variations of these minor species can give a lot of information about the dynamics of the lower atmosphere as well as the understanding of its chemistry - including the sulphur cycle - and the putative geological activity of the planet (by detecting water vapour release from volcanoes).
The beginning of the Venus Express space mission, the first one dedicated to this planet since the discovery of the nightside infrared emission, and especially the expected data from the spectro-imaging device VIRTIS have led to some preliminary work, among which this thesis. Having acquired some spectra with the SpeX instrument at the Infrared Telescope Facility in Hawaii, we obtained data similar in spectral resolution (R ~ 2000) to those expected from the VIRTIS instrument. These observations were conducted during three campaigns during favourable quadrature seasons in Februrary 2003, August 2004 and November 2005. Then, the numerical radiative transfer model developped by Bruno Bézard and simulating infrared thermal spectra enabled us to develop algorithms which can quickly derive various atmospheric parametres (mixing ratios of a minor species at a specific altitude, vertical gradients, isotopic ratio of water vapour, lower cloud opacity) from a given observed spectrum.
We then present the results, such as the confirmation of the suspected enhancement in carbon monoxide towards middle and high latitudes. Anti-correlated variations of carbonyl sulfide have also been noticed. A related variability of the verical gradients of these two species has been measured too. In addition, we provide a qualitative dynamical interpretation to these results in terms of general vertical circulation. More precise constraints on the mean abundance of water vapour and its isotopic ratio have also been derived.
Finally, the last part of this report deals with the analysis of the first data received from VIRTIS by similar methods, which demonstrates their applicability and brings confirmation of some previous results. It also deals with the future prospects, combining spectrscopic studies of minor components with dynamical interpretations of their variations thanks to general circulation models.
Depuis la découverte en 1983 par Allen et Crawford de l'émission infrarouge nocturne de Vénus observable dans quelques fenêtres spectrales, son origine et son intérêt scientifique a été amplement démontrée. L'opacité du dioxyde de carbone est en effet suffisamment basse dans certaines fenêtres spectrales étroites pour permettre au rayonnement thermique issu des couches profondes (de 25 à 40 kilomètres d'altitude) et chaudes (400-500 K) de l'atmosphère de la planète de parvenir jusqu'à un observateur. Ces émissions, et en particulier celles situées dans la fenêtre spectrale située entre 2,2 et 2,5 µm, fournissent un moyen unique d'étudier la partie de l'atmosphère de Vénus située sous les épaisses couches nuageuses, en particulier sa composition grâce à la présence de bandes d'absorption de composés mineurs dont les profils verticaux moyens ont pu être mesurées, tels que CO, OCS, H2O ou encore SO2. L'étude des variations locales de ces composés mineurs est riche d'enseignements potentiels, tant sur le plan de la dynamique atmosphérique profonde que sur celui de la compréhension de la chimie de l'atmosphère - notamment du cycle du soufre - ou même de la possible activité géologique de la planète (par détection des émission de vapeur d'eau en provenance de volcans).
Le début de la mission spatiale Venus Express, première mission spatiale dédiée à cette planète depuis la découverte de l'émission infrarouge nocturne, et notamment les données attendues du spectro-imageur VIRTIS ont donc motivé un travail préparatoire qui a fait l'objet de cette thèse. Grâce à l'acquisition de spectres obtenus avec le spectro-imageur SpeX à l'Infrared Telescope Facility d'Hawaii, nous avons disposé de données analogues à celles attendues de la part de l'instrument VIRTIS-H sur le plan de la résolution spectrale (R ~ 2000). Ces observations furent menées au cours de trois campagnes
lors des périodes de quadrature favorables à l'observation de Vénus, en février 2003, août 2004 et novembre 2005. Par la suite, grâce au modèle numérique de transfert radiatif développé par Bruno Bézard et simulant les spectres de l'émission nocturne de Vénus, nous avons développé des algorithmes permettant d'associer rapidement à un spectre donné divers paramètres atmosphériques compatibles avec les observations (abondances et gradients verticaux d'espèces minoritaires à une altitude donnée, rapport isotopique de la vapeur d'eau, opacité nuageuse inférieure).
Nous présentons ensuite les résultats obtenus, parmi lesquels la confirmation de l'enrichissement déjà soupçonné en monoxyde de carbone aux moyennes et hautes latitudes. Des variations anti-corrélées du sulfure de carbonyle ont également été détectées. Une variabilité associée des gradients verticaux de ces deux espèces a pu aussi être mesurée. Ces résultats ont en outre reçu une interprétation dynamique qualitative, basée sur la circulation verticale générale de l'atmosphère. De nouvelles contraintes plus précises concernant l'abondance globale en vapeur d'eau et son rapport isotopique ont également pu être dérivées.
Enfin, la dernière partie de ce mémoire porte sur l'analyse par des méthodes semblables des premières données issues de l'instrument VIRTIS, montrant ainsi l'applicabilité de nos méthodes et confirmant certains des résultats obtenus précédemment, ainsi que sur les perspectives futures, conciliant études spectroscopiques des composés mineurs et interprétation dynamique de leurs variations grâce aux modèles de circulation générale.
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Dates and versions

tel-00126105 , version 1 (23-01-2007)

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  • HAL Id : tel-00126105 , version 1

Cite

Emmanuel Marcq. Prélude à la mission Venus Express : étude de l'atmosphère par spectro-imagerie infrarouge. Astrophysique [astro-ph]. Université Paris-Diderot - Paris VII, 2006. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00126105⟩
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