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Observatoire de Versailles Saint-Quentin-en-Yvelines  - Université de Versailles Saint-Quentin-en-Yvelines

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L'Europe est à nouveau à la conquête de Mars

L’orbiteur Trace Gas Orbiter de la mission ExoMars ..jpg
La mission de l’Agence Spatiale Européenne ExoMars prend son véritable envol ce lundi à Baïkonour pour rejoindre la planète Mars en 9 mois. Cette mission se pare d’un satellite de grande taille (le Trace Gas Orbiter TGO) et d’un atterrisseur (Schiaparelli) qui formeront l’avant-poste de la mission ExoMars avant l’envoi du rover Pasteur sur un prochain créneau de lancement vers Mars. Les scientifiques français (en particulier au LATMOS) sont très impliqués sur cette mission.

Informations pratiques :

Date
Lundi 14 mars 2016
L’orbiteur Trace Gas Orbiter de la mission ExoMars .

L'instrument ACS à bord de la mission ExoMars et l'orbiteur TGO
Le Trace Gas Orbiter (TGO) de la mission ExoMars, qui sera lancé depuis Baïkonour (Kazakhstan) lundi 14 mars à 10h30 (heure française), atteindra la planète Mars fin 2016 et amorcera, après une phase d’aéro-freinage où la sonde se servira de l’atmosphère de Mars pour freiner sa trajectoire et assurer sa mise en orbite finale, sa mission scientifique fin 2016 pour une durée d’au moins une année martienne (presque deux ans terrestres).
Les équipes de l’IPSL (LATMOS et LMD) sont fortement impliqués sur l’un des instruments phare de TGO, à savoir le spectromètre infrarouge ACS (Atmospheric Chemistry Suite), dont le responsable scientifique est Oleg Korablev (laboratoire IKI, Moscou) et Franck Montmessin (laboratoire LATMOS, Guyancourt) son responsable délégué.
Les objectifs scientifiques de ACS couvrent le cœur des prérogatives « historiques » de la mission TGO, à savoir détecter et cartographier les espèces traces dans l’atmosphère martienne, afin d’en comprendre l’origine et mesurer ainsi le taux actuel d’activité biologique ou géologique de la planète Mars.
Toutefois, la grande polyvalence d’ACS permettra de contribuer, au-delà de la seule problématique des gaz trace, de manière plus globale à notre compréhension de l’atmosphère martienne en obtenant pour la première fois un relevé d’espèces-clefs pour la stabilité photochimique de l’atmosphère martienne et en établissant un relevé spatio-temporel dense des principales variables météorologiques martiennes (pression, température, etc.).

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(gauche) couverture spectrale de l’instrument ACS (comparée à celle de NOMAD, l’autre spectromètre infrarouge de TGO), le positionnement des signatures spectroscopiques des principales espèces recherchées est indiquée dans la partie supérieure. (droite) Vue 3D de l’instrument ACS


ACS consiste en un ensemble de capteurs infrarouge couvrant un domaine de longueur d’ondes compris entre 1 à 16 micromètres à très haute résolution spectrale. Une telle résolution, encore jamais atteinte pour Mars (c’est plus de 10 fois mieux que les meilleurs spectromètres utilisés à ce jour), est fondamentale pour permettre une séparation nette des signatures produites dans le spectre de lumière solaire par les espèces gazeuses présentes dans l’atmosphère de Mars, notamment celles qui présentent les signatures les plus ténues du fait de leur faible abondance.
ACS utilisera deux modes d’observation :
• le nadir où l’instrument regarde directement la planète depuis son orbite et donc l’atmosphère sur toute sa profondeur. C’est un mode typiquement utilisé pour réaliser un suivi spatio-temporel très régulier de l’atmosphère. Il offre la possibilité de sonder les couches atmosphériques proches de la surface, ce qui ne peut pas se faire en mode occultation. La contrepartie est le relatif manque de sensibilité de ce mode en comparaison du mode occultation. En effet, l’atmosphère et la surface de Mars qui réfléchissent la lumière solaire vers l’instrument sont environ 1 million de fois moins brillants que le soleil lui même qui est observé directement en mode occultation. Pour cette raison, la détection des gaz trace ne peut se faire que si ceux-ci sont présents en concentration significative (typiquement au-dessus de 5 molécules par milliard de molécules d’air).
• l’occultation solaire où l’instrument se place dans une configuration de visée où il peut suivre derrière l’horizon martien les levers et les couchers du soleil à travers l’atmosphère. C’est le mode par excellence pour réaliser les détections des espèces gazeuses les moins abondantes.

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Méthode d’observation en occultation solaire de l’atmosphère de Mars.

Pour la communauté scientifique française concernée (notamment au LATMOS, LMD et LESIA), la participation à ACS offre une opportunité unique de poursuivre les efforts de développement engagés à la fois sur le front instrumental dans le spatial (développement de SPICAM sur Mars Express) et sur le front de la modélisation théorique (modèle physico-chimique global de l’atmosphère de Mars).

Les Grands Objectifs de l’orbiteur TGO
Les objectifs scientifiques de la mission TGO furent définis à suite de la détection du méthane (environ 10 molécules par milliard de molécules d’air martien) dans l’atmosphère de Mars par plusieurs équipes scientifiques. Cette découverte a revigoré les espoirs de présence de vie sur Mars, et ce même si des sources géochimiques ont été également invoquées.
Un point troublant est qu’une grande variabilité spatio-temporelle est observée pour le méthane (il semble apparaître et disparaître de manière intempestive) alors que les modèles actuels de la chimie atmosphérique prédisent un comportement stable sur des centaines d’années. Les différentes équipes ne s’accordent cependant pas sur la distribution spatiale. Ajouté aux difficultés techniques liées à ces détections, la frontière est restée très ténue entre la preuve irréfutable de l’existence du méthane et l’absence de détection tout court. A noter cependant, les dernières mesures réalisées à la surface de Mars par MSL semblent non seulement confirmer la présence du méthane mais aussi sa grande variabilité.
Pour lever toutes ces incertitudes, l’ESA avait donc décidé de concevoir un orbiteur, le Trace Gas Orbiter pour la première partie d’ExoMars afin de remplir les objectifs suivants :
1. Détecter des gaz trace de natures différentes afin de détecter et identifier tout type d’activité (géologique et/ou biologique) ayant cours actuellement sur Mars.
2. Caractériser les variations spatiales et temporelles de ces espèces, ainsi que celles des principales variables météorologiques (température, vent, etc. ).
3. Localiser les puits et les sources des espèces traces détectées, et en déterminer la nature et l’origine.
4. Fournir un appui pour la transmission des données du rover Pasteur prévu pour 2018.


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Les grands cycles chimiques martiens qu’ACS nous permettra d’étudier.

Grâce à l’instrument ACS il nous sera possible de placer notre communauté au coeur des objectifs majeurs de TGO en confirmant la détection du méthane avec une sensibilité exceptionnelle, de l’ordre de 10 molécules de méthane par trillards de molécules d’air (soit a priori 1.000 fois mieux que ce qui a été détecté). Par ailleurs, nous serons aussi en mesure avec ACS de :
• Détecter d’autres gaz, signatures d’activité biologique ou géologique, afin de mieux contraindre la nature de leur source. Par exemple, détecter C2H6 ou HCl constituerait une preuve d’activité géologique. Au contraire, N2O, n’a quasiment aucune source abiotique (non biologique) sur Terre.
• Caractériser les variations spatiales et temporelles des gaz traces d’origine géologiques et biologiques, mais aussi les capacités oxydantes de l’atmosphère en mesurant H2O, CO, OH, HO2, O3 O2 ce qui permettra de quantifier tous les puits connus du méthane. ACS grâce à sa large couverture spectrale, permettra en plus de mesurer la densité et la taille des poussières et nuages de glace d’eau.
• Produire un jeu de données sur la pression / température / poussière / nuages pour reconstruire les champs météorologiques, en particulier des vents (qui ne sont pas mesurés par les instruments), ce qui permettra de reconstruire les trajectoires de gaz traces observés, et donc de remonter à leur source d’émission.

On le voit, les retombées scientifiques possibles ne se limiteront pas à l’étude du méthane et de son origine, mais permettront de comprendre plus en profondeur les grands processus physico-chimiques du climat martien. Les mesures de rapports isotopiques, et notamment du rapport isotopique du deutérium dans l’eau, vont nous permettre comme cela l’est fait sur la Terre de mieux comprendre le cycle hydrologique martien actuel mais aussi son comportement sur des échelles de temps très longues. Ces mesures nous seront particulièrement utiles pour reconstituer l’histoire de calottes polaires martiennes à partir de mesure des rapports isotopiques. Cette cartographie de l’eau lourde (dont la présence est, elle, avérée sur Mars) permettrait d’ouvrir un volet scientifique ce que les missions martiennes n’ont pu à ce jour exploré.

Nos équipes se déploieront aussi sur la réalisation d’une chaîne de traitement des données de l’instrument, à l’aide de méthodes et d’outils récents et optimaux d’«assimilation de données» (au LMD). L’ambition affichée est de construire une chaîne de traitement des données permettant de fournir la climatologie atmosphérique aux équipes TGO en une à deux semaines.

Informations complémentaires :

Dernière mise à jour de cette page : 25 mars 2016


Contacts

Directrice
Chantal Claud
chclaud <chantal.claud@uvsq.fr

Responsable administrative
Karine Le Corre
karine.lecorre@uvsq.fr

Assistante de direction
Gwenaëlle Rossi
gwenaelle.rossi@uvsq.fr





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