Etude de la surface et de la subsurface de Mars par sondage radar. Analyse des données MRO/Sharad

par Cyril Grima

Thèse de doctorat en Sciences de l'univers

Sous la direction de Wlodek Kofman.

Soutenue le 27-01-2011

à Grenoble en cotutelle avec l'UNIVERSITE DE GRENOBLE , dans le cadre de École doctorale terre, univers, environnement (Grenoble) , en partenariat avec Laboratoire de Planétologie de Grenoble (équipe de recherche) et de TERRE, UNIVERS, ENVIRONNEMENT (laboratoire) .

Le président du jury était Jean-Louis Monin.

Le jury était composé de Wlodek Kofman, Roberto Orosei, Frédérique Rémy, Alain Hérique.

Les rapporteurs étaient Stephen Clifford, Nicolas Mangold.


  • Résumé

    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°).

  • Titre traduit

    Study of the Surface and Subsurface of Mars by radar sounding (SHARAD/MARSIS)


  • Résumé

    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.


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