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Theses Year : 2023

A spectroscopic study of water vapor on Mars

Une étude spectroscopique de la vapeur d’eau sur Mars

Abstract

Water vapor is a minor species in the atmosphere of Mars, yet plays a significant role in shaping the current climate of the planet. Water was once much more abundant, evident today from features such as dry riverbeds, outflow channels and hydrated minerals, prompting extensive research into its disappearance. Atmospheric water vapor has been monitored and studied extensively in the past decades, and most of its chemical and dynamical behaviors are now known, but one of the few remaining challenges is related to its vertical distribution. Missions like Mars Express, MAVEN, and the ExoMars Trace gas Orbiter ushered in a new era in water vertical profile studies and have all provided valuable insights, but access to the lowest part of the atmosphere has remained limited. Water vapor is commonly assumed to have a uniform distribution below the cloud condensation layer, but some measurements are challenging this view, suggesting a more complex profile near the surface, where regolith-atmosphere exchanges might play a role.The main work of this thesis is related to water vapor, with the objective of investigating the near-surface water content in both a seasonal and geographical context. To do this, we have explored two unconventional techniques; a spectral synergy method applied to nadir observations, and infrared spectroscopic surface observations. This thesis also contains one chapter about Martian space weather, which contains a collection of smaller projects conducted throughout the duration of this PhD.The spectral synergy uses near- and thermal-infrared spectra from SPICAM and PFS respectively on Mars Express. Water vapor is retrieved simultaneously from both spectral bands, and since these two wavelength intervals are sensitive to separate atmospheric altitude regions, the resulting increased degree of freedom allows for information on the vertical distribution to be gained. The synergy was applied to almost 200 000 co-located observations, sampled across roughly eight Mars year. Composite climatologies of very accurate column abundances and vertical profiles were assembled. The column abundances were in good agreement with previous studies, but the results exhibited some significant differences from the Mars Climate Database, both with respect to the column abundances and the vertical distribution. The spring sublimation peak was observed to be less extreme, and the sublimation onset occurred later than the model. The vertical confinement is observed to be stronger compared to the model at almost all seasons and latitudes, and the distribution is rarely uniform. The confinement as a function of season and latitude was studied in details, and a latitudinal wave-like behavior was discovered in both hemispheres, as well as a prevailing double-layer structure in the northern hemisphere.For the surface observations, we make use of the infrared spectrometer part of SuperCam on the Perseverance rover, and conduct so-called passive sky measurements. To date, we have 64 observations taken regularly across one Martian year. In the passive sky technique, infrared spectra are acquired at two elevation angles and then ratioed in order to remove continuum and instrumental effects. The resulting spectrum is mainly sensitive to the atmosphere below 15 km, and can therefore directly probe altitudes rarely accessible from orbit. Here we outline the progress made so far regarding data processing and the development of a retrieval pipeline. A forward model and minimization routine has been composed, and is currently undergoing testing and further maturing.
La vapeur d'eau est un composant mineur dans l'atmosphère de Mars, mais elle joue un rôle significatif dans la formation du climat actuel de la planète. L'eau était autrefois beaucoup plus abondante, ce qui se traduit aujourd'hui par des caractéristiques telles que des lits de rivières asséchées, des canaux d'écoulement et des minéraux hydratés, suscitant ainsi des recherches approfondies sur sa disparition. La vapeur d'eau atmosphérique a été largement surveillée et étudiée au cours des dernières décennies, et la plupart de ses caractéristiques chimiques et dynamiques sont désormais connues. Cependant, l'une des rares difficultés restantes concerne sa distribution verticale. Des missions telles que Mars Express, MAVEN et ExoMars Trace gas Orbiter ont ouvert une nouvelle ère dans les études de profils verticaux de l'eau, fournissant des informations précieuses. Cependant, l'accès à la partie la plus basse de l'atmosphère est resté limité. La vapeur d'eau est généralement supposée avoir une distribution uniforme en dessous de la couche de condensation des nuages, mais certaines mesures remettent en question cette hypothèse, suggérant un profil plus complexe près de la surface où les échanges entre le régolithe et l'atmosphère pourraient jouer un rôle.Le principal travail de cette thèse est lié à la vapeur d'eau, avec pour objectif l'étude de la teneur en eau près de la surface dans un contexte saisonnier et géographique. Pour cela, nous avons exploré deux techniques non conventionnelles : une méthode de synergie spectrale appliquée aux observations au nadir, et des observations spectroscopiques infrarouges de surface. Cette thèse contient également un chapitre sur la météo spatiale martienne, qui présente des travaux secondaires menés tout au long de cette thèse.La synergie spectrale utilise des spectres infrarouges proches et thermiques provenant respectivement du SPICAM et du PFS sur Mars Express. La vapeur d'eau est récupérée simultanément à partir des deux bandes spectrales, et comme ces deux intervalles de longueurs d'onde sont sensibles à des régions altitudinales atmosphériques distinctes, le degré de liberté accru qui en résulte permet d'obtenir des informations sur la distribution verticale. La synergie a été appliquée à près de 200 000 observations co-localisées, échantillonnées sur environ huit années martiennes. Des climatologies composites d'abondances de colonne très précises et de profils verticaux ont été rassemblées. Les abondances de colonne s'accordaient avec les études précédentes, mais les résultats présentaient des différences significatives avec la base de données climatiques de Mars, autant pour les abondances de colonne que la distribution verticale. Le pic de sublimation printanier a été observé comme moins extrême et son apparition était plus tardive par rapport au modèle. Le confinement vertical est observé comme étant plus fort par rapport au modèle dans presque toutes les saisons et latitudes, et la distribution est rarement uniforme. Le confinement en fonction de la saison et de la latitude a été étudié en détail, et un comportement de type ondulation latitudinale a été découvert.Pour les observations de surface, nous utilisons le spectromètre infrarouge de SuperCam sur le rover Perseverance, et réalisons des mesures dites "passives du ciel". À ce jour, nous avons effectué 64 observations régulières sur une année martienne. Dans la technique du ciel passif, des spectres infrarouges sont acquis à deux angles d'élévation puis rationnés afin d'éliminer les effets continus et instrumentaux. Le spectre résultant est principalement sensible à l'atmosphère en dessous de 15 km et peut donc sonder directement des altitudes peu accessibles depuis l'orbite. Nous présentons ici les progrès réalisés en matière de traitement des données et de développement d'un outil de récupération. Un modèle direct et une routine de minimisation ont été composés et sont en cours de test et de d'amélioration.
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Origin : Version validated by the jury (STAR)

Dates and versions

tel-04306633 , version 1 (25-11-2023)

Identifiers

  • HAL Id : tel-04306633 , version 1

Cite

Elise Wright Knutsen. A spectroscopic study of water vapor on Mars. Earth and Planetary Astrophysics [astro-ph.EP]. Université Paris-Saclay, 2023. English. ⟨NNT : 2023UPASP136⟩. ⟨tel-04306633⟩
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