Preparatory studies for the interpretation of future microwave data coming from radar experiment onboard Cassini-Huygens : impact of Titan's atmosphere

Etude préparatoire à l'interprétation des données micro-ondes de l'instrument radar de la sonde Cassini-Huygens : impact de l'atmosphère de Titan

Sébastien Rodriguez (1)

1 L3AB - Laboratoire d'astrodynamique, d'astrophysique et d'aéronomie de bordeaux

The Cassini mission has been designed to send a spacecraft to the planet Saturn, and deploy an instrument probe, Huygens, that will descend to the surface of Saturn's moon Titan. The Cassini Radar instrument (f=13.78 GHz) onboard the orbiter is expected to characterize the surface of Titan. Correct interpretation of the measurements made with the radar requires simulations and laboratory measurements to anticipate possible atmospheric and surface effects and then better invert and interpret radar data. Due to the lack of permittivity values for Titan's haze particles in the microwave range, we performed dielectric constant measurements around 13.78 GHz on titanian aerosols synthesized in laboratory, also called tholins. We obtained a real part of in the range of 2-2.5 and a loss tangent between 10^(-3) and 5.10^(-2). We also gathered dielectric constants of others materials suspected to compose Titan's atmosphere and surface and for which experimental values in the range of Cassini radar frequency already existed: liquid and solid light hydrocarbons, water ice and silicates. We have then developed simple simulations to study the behaviour of a 13.78 GHz plane wave going through Titan's atmosphere and then backscattered by its surface. Titan's atmosphere (hydrocarbons clouds and/or aerosol haze) was modeled by a diluted medium filled with spherical particles of size, density and permittivity estimated from what could be found in the literature and laboratory experiments. Surface was characterized by its composition and roughness properties. The results about atmospheric radar attenuation are of two kinds: (1) The haze scenarios do not cause any attenuation and the radar wave will reach the surface of Titan without any losses. The particle radius never exceeds 1 um and the corresponding attenuation never exceeds 0.01 dB. (2) When we add in our simulation a rain layer in the last few kilometers, the attenuation reaches and rapidly exceeds the instrument sensitivity limit. A wave emerging from such a cloud layer could be so attenuated that the radar antenna would not be able to detect a returned echo from Titan's surface. Simulations of the backscattered signal by Titan's surface covered by tholins, various ices or silicates show also that rather low return could be expected, even for rough surfaces. This could dramatically increase the possible attenuation role of Titan's clouds. Finally, we show that the altimetry pulse shape could also be analyzed in order to detect an atmospheric effect (hypothetic clouds) and get unexpected informations about Titan's lower atmosphere (rain occurrence and extension of cloud systems, size, density and velocity of the particles) thanks to the backscattering of the signal on cloud layer.

La mission Cassini-Huygens a été conçue dans le but d'étudier la planète Saturne et son environnement proche, notamment le satellite Titan. L'orbiteur Cassini possède à son bord un instrument radar en bande Ku (f=13.78 GHz) qui aura pour principal but de percer l'épaisse atmosphère de Titan et d'en imager la surface. Dans ce contexte, l'objectif de notre travail était de préparer l'interprétation des futures données du radar. Nous avons, pour ce faire, réalisé des simulations de la propagation de l'onde radar avec l'aide de mesures diélectriques effectuées en laboratoire, ceci afin d'anticiper les éventuelles perturbations liées à la traversée de l'épaisse atmosphère de Titan et à la rétrodiffusion sur sa surface. En raison de l'absence de données concernant les propriétés diélectriques micro-onde des particules qui composent les brumes de Titan, nous avons effectué des mesures de la constante diélectrique d'analogues d'aérosols synthétisés en laboratoire (aussi appelés tholins) autour de 13.78 GHz. Nous avons obtenu pour la partie réelle une valeur comprise entre 2 et 2.5, avec une tangente de perte allant de 10-3 à 5.10-2. Nous avons également rassemblé les valeurs de constante diélectrique des espèces susceptibles de composer l'atmosphère et la surface de Titan pour lesquelles il existait déjà des mesures dans le domaine micro-onde : hydrocarbures légers en phase liquide et solide, glace d'eau et silicates. Avec l'aide de ces mesures diélectriques, nous avons ensuite développé des simulations dédiées à l'étude du comportement de l'onde radar de Cassini tout au long de son parcours. Les résultats en termes d'atténuation atmosphérique sont les suivants : (1) les scénarios de brumes d'aérosols ne causent aucune atténuation et dans ces conditions l'onde radar atteint la surface de Titan sans subir aucune perte. Dans ces modèles d'atmosphère, le rayon des particules n'excède pas 1 um et l'atténuation résultante ne dépassent jamais 0.01 dB. (2) En revanche, lorsque une couche de pluie est ajoutée dans les derniers kilomètres, l'atténuation dépasse rapidement la limite de sensibilité de l'instrument radar. Une onde émergeant d'un tel nuage serait tellement atténuée qu'en retour, aucun écho de surface ne pourrait être détecté. Seule la composante réfléchie sur la couche de nuages pourrait être accessible. Les simulations de rétrodiffusion de surface démontrent également que l'on peut s'attendre à une rétrodiffusion plutôt faible, même pour des surfaces relativement rugueuses à la longueur d'onde du radar de Cassini. A travers une étude plus détaillée de la propagation du pulse de l'altimètre de Cassini et de son interaction avec l'atmosphère de Titan, nous sommes arrivés à la conclusion qu'il serait possible de détecter la présence hypothétique de nuages et de sonder un certain nombre de leurs propriétés (existence de pluies et extension des systèmes de nuages, taille, concentration et vitesse des particules).

Mots clés: clouds; radar altimetry; rain radar; dieclectric characterization

Mots clés: Titan; surface; atmosphère; aérosols; nuages; altimétrie radar; radar pluie; caractérisation diélectrique

Domaines: Astrophysique [astro-ph]

Sébastien Rodriguez. Etude préparatoire à l'interprétation des données micro-ondes de l'instrument radar de la sonde Cassini-Huygens : impact de l'atmosphère de Titan. Astrophysique [astro-ph]. Université Pierre et Marie Curie - Paris VI, 2003. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00005551⟩