From dust to water ice clouds : a study of microphysics in the Martian atmosphere

Aspects microphysiques de l'atmosphère martienne : de la poussière aux nuages de glace d'eau

Franck Montmessin (1)

1 SA - Service d'aéronomie

Because of the permanent and global effect of airborne dust on the radiative balance, the study of microphysical processes is of major interest for the Martian atmosphere. In addition, water ice clouds similar to terrestrial cirrus are frequently observed despite the low water vapor abundances. During my thesis work, a microphysical model has been developed to study the coupling between dust, ice crystals and water vapor. Being mainly focused on the vertical structure of the Martian haze, our efforts have yielded an interpretation of a photometric dataset, itself leading to a new estimation of ice crystals and dust microphysical properties. Our conclusions challenge the function commonly adopted to represent the size spectrum of Martian dust, an hypothesis corroborated by other size spectra of dust generally observed in Earth deserts. Besides, we have been able to conduct a thorough analysis of the impact of Martian nebulosity on the water cycle. Our implementation of a simplified microphysical scheme within a General Circulation Model has led to the quantification of the role of atmospheric water ice transport on the geographical distribution of water. This study follows one of the main scientific topic: understanding the evolution of water on Mars. Related to this topic, the study of the deuterium cycle is crucial to give consistent estimates of the amount of water that has escaped throughout Martian history. This cycle is partly controlled by a fractionation effect occuring within clouds that has been studied with our microphysical model. Our results give a consistent explanation of the puzzling observations of deuterium abundances at high altitudes.

De par l'influence radiative globale et permanente des poussières en suspension, la caractérisation microphysique de l'atmosphère martienne est un enjeu scientifique majeur. De plus, malgré un contenu humide restreint, des nuages de glace d'eau similaires aux cirrus terrestres se forment régulièrement. Au cours de cette thèse, le développement d'un modèle de microphysique a permis d'étudier la nature du couplage entre poussières, cristaux et vapeur d'eau. Essentiellement axés sur la structure verticale des brumes martiennes, nos travaux ont permis d'interpréter un jeu de données photométriques ayant abouti sur une estimation de la granulométrie de la poussière et des cristaux de glace. La conclusion de cette étude remet en cause le type de fonction jusqu'alors employée pour décrire le spectre en taille de la poussière, une hypothèse étayée par la structure des spectres de poussière observée dans les déserts sahariens. Par ailleurs, nous avons pu effectuer une analyse approfondie de l'impact de la nébulosité sur le cycle hydrologique martien. Notre introduction d'un schéma de nuages simplifié au sein d'un modèle de circulation générale a permis de quantifier le rôle considérable du transport de la glace atmosphérique sur la distribution géographique de l'eau. Cette étude s'inscrit dans la volonté actuelle de comprendre l'évolution de l'eau sur Mars. Liée à cette thématique, l'étude du cycle du deutérium est primordiale pour estimer la quantité d'eau s'étant échappée vers l'espace par le passé. Ce cycle est en partie contrôlé par un effet de fractionnement se produisant au sein des nuages qu'il nous a été possible d'étudier grâce à notre modèle microphysique. Nos résultats permettent de mieux comprendre la faible concentration en deutérium de la haute atmosphère dont l'observation a longtemps posé problème aux études théoriques passées.

Mots clés: water; clouds; dust; microphysics

Mots clés: Mars; atmosphère; eau; nuages; poussière; microphysique

Domaines: Astrophysique [astro-ph]

Franck Montmessin. Aspects microphysiques de l'atmosphère martienne : de la poussière aux nuages de glace d'eau. Astrophysique [astro-ph]. Université Pierre et Marie Curie - Paris VI, 2002. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00010657⟩