Mineral hydration at the Martian surface: spectroscopic and thermodynamic characterizations and applications to remote sensing
Hydratation minérale à la surface de Mars : caractérisation spectroscopique, thermodynamique et application à la télédétection
Résumé
The Solar light reflected by the Martian surface in the spectral range of near infrared reveals the signature of water present in hydrated minerals located in the regolith. Successive remote-sensing instruments on-board space probes caracterized the spatial and seasonal variabilities of these spectral signatures. However, the physical interpretation of spectroscopic signals is highly challenging in the case of reflection spectroscopy. Many parameters concerning different aspects of the measurement are likely to influence the reflectance spectra. In the laboratory, we studied the effects of particules size, mixtures between different materials, incidence, emergence and phase angle on the strength of two absorption bands at 1,9 and 3 µm. Using simultaneously laboratory measurements and radiative transfer numerical modeling, we were able to derive quantitative relationships between those parameters. In the same time, we developed an original experimental facility designed to measure adsorption and desorption isotherms of Martian reglith analog materials under conditions representative of the Martian surface. Visible and near infrared reflectance spectra are also measured at each step of the hydration and dehydration processes. Results allow better understanding of the possible interactions between water and minerals and the spectrosopic properties of water-of-hydration. Finally, we show how results obtained in the laboratory apply to the case of the Martian surface thanks to the OMEGA / Mars Express dataset. The causes of spatial and seasonal variabilities of the surface spectral signatures are especially discussed.
Le rayonnement solaire réfléchi par la surface martienne dans la gamme spectrale du proche infrarouge permet l'observation de signatures de l'eau d'hydratation des minéraux du régolithe. Une succession d'instruments embarqués sur des sondes spatiales ont permis de caractériser les variations spatiales et saisonnières de ces signatures spectrales. L'interprétation physique des signaux spectroscopiques est cependant une tâche ardue dans le cas de la spectroscopie en réflexion. En effet, de nombreux paramètres de nature variée sont susceptibles d'influer sur le signal mesuré. Nous avons donc entrepris différentes études en laboratoire afin de déterminer les effets de la taille des particules, de divers modes de mélange ou des angles d'incidence, d'émergence et de phase sur la force de deux bandes d'absorption à 1,9 et 3 µm. En utilisant conjointement des mesures de spectres en laboratoire et une simulation numérique du transfert radiatif dans les milieux granulaires, nous avons pu établir des relations quantitatives entre les différents paramètres. Parallèlement à ce travail, nous avons développé une facilité expérimentale originale permettant de mesurer les isothermes d'adsorption et de désorption d'analogues du régolithe martien sous des conditions proches de celles de la surface de Mars. Dans le même temps, les spectres en réflectance dans le visible et le proche infrarouge sont mesurés. Les résultats obtenus renseignent d'une part sur les interactions possibles entre la vapeur d'eau atmosphérique et des analogues de différentes natures et d'autre part sur les propriétés spectroscopiques de l'eau d'hydratation. Nous présentons enfin des exemples d'analyse d'observations effectuées par l'instrument OMEGA / Mars Express montrant comment les résultats obtenus précédemment s'appliquent au cas de la surface martienne. Les causes possibles des variations spatiales et temporelles des signatures spectrales de la surface sont notamment étudiées.