Caractérisation des propriétés physiques de la surface de Mars à partir de mesures spectro-photométriques orbitales

par Jennifer Fernando

Thèse de doctorat en Sciences de l'univers

Sous la direction de Frédéric Schmidt.


  • Résumé

    Depuis leur formation, les surfaces des corps de notre Système Solaire montrent une diversité étonnante. Cette diversité est le reflet des processus géologiques qui ont modelé les surfaces planétaires au cours du temps. Parmi les objets du Système Solaire, Mars constitue un objet particulièrement intéressant car il présente de nombreuses similitudes avec notre planète. La minéralogie de la surface de Mars est bien documentée. Cependant, on dispose de peu d'information sur les paramètres physiques des matériaux qui sont également des traceurs des processus géologiques. Un des objectifs de cette thèse est de développer et de valider un outil permettant leur détermination à partir de techniques d'investigation spatiale depuis l'orbite et d’interpréter les résultats. Pour cela, une approche basée sur la photométrie, qui étudie les propriétés de diffusion des matériaux de surface, a été développée et validée. Ces propriétés de diffusion dépendent de la composition mais aussi des propriétés physiques des matériaux comme la taille, la forme, la structure interne, la rugosité des grains et la rugosité de la surface. Les données hyperspectrales multi-angulaires CRISM (Compact Reconnaissance Imaging Spectrometer for Mars) à bord de la sonde Mars Reconnaissance Orbiter (11 images prises à des angles d'émergence variés) ont été utilisées, permettant de contraindre le comportement de diffusion des matériaux de surface. Tout d'abord, les données sont corrigées de la contribution atmosphérique à l'aide de l'algorithme nommée MARS-ReCO (Multi-angle Approach for Retrieval of Surface Reflectance for CRISM Observations), développé en collaboration avec Xavier Ceamanos et Sylvain Douté (IPAG) au cours de la thèse. Puis, les données de réflectance de surface à différentes géométries sont analysées en inversant à l’aide d’une approche bayésienne le modèle photométrique de Hapke qui décrit le transfert radiatif en milieu granulaire. Ce modèle dépend de six paramètres photométriques de surface (e.g., albédo de diffusion, fonction de phase, rugosité macroscopique de la surface), reliés aux propriétés physiques des matériaux comme la taille, la structure interne, la forme, la rugosité des grains, et la rugosité de la surface.Une première application a été menée au niveau des sites d'atterrissage des rovers de la mission Mars Exploration Rover, où des données orbitales et in situ sont disponibles. Ces dernières sont utilisées comme «vérité terrain» pour valider les interprétations des paramètres photométriques estimés. Dans ce travail, des cartes des paramètres photométriques ont été fournies le long et autour du trajet des rovers permettant d'avoir accès aux informations des propriétés des matériaux sur une étendue plus importante que les données in situ. Une interprétation de chacun des paramètres et un lien aux propriétés physiques et aux processus géologiques ont été fournis. Les résultats montrent des propriétés de diffusion variés au sein d'une observation CRISM (10x10km) suggérant que les surfaces sont contrôlées par des processus géologiques plus locaux (e.g., processus éoliens, fragmentation de la croûte par impact).Une dernière partie se focalise sur la détermination des propriétés de diffusion des matériaux de surface de différents terrains géologiques formés dans des contextes différents. Le but est d'identifier les variabilités des propriétés de diffusion à travers Mars

  • Titre traduit

    Characterization of the Martian surface physical properties from orbital spectro-photometric measurements


  • Résumé

    The PhD work focuses on the characterization of geological processes on planetary surfaces. Due to the lack of broad scale in situ information about the surface physical properties of the Martian materials (recording the geological processes), my work centers on the development and validation of an approach for their estimation from orbital spaceborne datasets. In addition, determining the physical properties has an implication for the spectroscopic interpretation notably for the mineral abundances. More specifically, I developed an approach for the determination and the analysis of the Martian surface scattering properties using CRISM (Compact Reconnaissance Imaging Spectrometer for Mars) observations [Murchie et al., 2007] on-board MRO (Mars Reconnaissance Orbiter). CRISM provides multi-angular (varied emission angles) hyperspectral images which allow the characterization of the surface scattering behavior at ∼200m/pixel. The scattering behavior depends on the material composition but also the physical properties such as the grain size, shape, internal structure, and the surface roughness / porosity. The main objective is to observe the spatial variations of the surface scattering properties and the photometric parameters as a function of geological units.The methodology I employ is based on the estimation of the surface photometric parameters in term of surface physical properties. After an atmospheric correction (aerosols) by the Multi-angle Approach for Retrieval of the Surface Reflectance from CRISM Observations (MARS-ReCO) [Ceamanos et al., 2013] developed in collaboration with X. Ceamanos and S. Douté (IPAG, France), I analyze the surface reflectance taken at varied geometries by inverting the Hapke photometric model [Hapke, 1993] depending on six parameters (single scattering albedo, 2-term phase function, macroscopic roughness and 2-term opposition effects parameters) in a Bayesian framework [Fernando et al., 2013]. The algorithm for the correction for the aerosols and the methodology for the estimates of surface photometric parameters have been validated by comparing the results from orbit to the in situ photometric measurements from Mars Exploration Rover (MER) rovers [Fernando et al. 2013].The MER landing sites located at Gusev Crater and Meridiani Planum provide an excellent opportunity to ground truth and validate the interpretation of derived Hapke photometric parameters as both orbital and in situ data are readily available over numerous geological terrains. Orbital results are consistent with the in situ observations. In my work, I mapped the surface scattering properties in and around the rover path, providing extended information over a wider area. Significant variations in the scattering properties are observed inside a CRISM observation (10x10km) suggesting that the surfaces are controlled by local geological and climatic processes [Fernando et al., in revision].The last part of this work focuses on the determination of the surface photometric parameters of different Martian geological terrains under different contexts in order to identify variabilities of the scattering properties


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