Analysis of the Titan atmosphere thermal infrared spectra acquired by the CIRS instrument aboard the Cassini spacecraft
Analyse des spectres infrarouges thermiques émis par l'atmosphère de Titan enregistrés par l'instrument CIRS à bord de la sonde Cassini
Résumé
This work is focused on the analysis of thermal infrared spectra of Titan's atmosphere acquired by the Cassini Composite Infrared Spectrometer (CIRS) instrument. The objective is the retrieval of the vertical distributions of atmospheric temperature and abundances of trace constituents in the 100-500 km range at several latitudes in order to infer their latitudinal variations. The CIRS instrument is a Fourier transform infrared spectrometer recording spectra in the 10-1400 cm-1 spectral range, which exhibits numerous spectral signatures from the rovibrationals bands of CH4, C2H2, C2H4, C2H6, CH3C2H, C3H8, C4H2, C6H6, HCN, HC3N and CO2. The intensities of these bands depend on both the temperature and the abundances of the molecules. It is then necessary to retrieve the vertical temperature profile prior to the abundance vertical profile. We deduce the thermal profile by using the v4 methane band, centered at 1305 cm-1. The methane abundance has been measured by the GCMS instrument aboard the Huygens probe. By using this abundance and by modeling the observed spectra, we are able to retrieve the temperature at a given latitude. For this purpose, we use an inversion algorithm that solves the radiative transfer equation using simultaneously nadir and limb spectra, each probing a different altitude. This work was done for five latitudes: 55°S, 13°S, 56°S, 82°N and 83°N and is described in part II of this manuscript. The inverted vertical temperature profiles are then used to retrieve, at the same latitudes, the vertical mixing ratio profiles of the above-mentioned molecules, which mainly emit in the spectral range 600-1400 cm-1. We use an inversion algorithm combining both nadir and limb spectra to retrieve the vertical abundance profiles. This work and the results are detailed in Part III. The last part of the work presented here is dedicated to the studies of the 13C/12C and 15N/14N isotopic ratios in HCN, and the D/H ratio measured in C2H2. Results obtained at several latitudes and their implications concerning the Titan atmosphere are described in Part IV.
Le travail de thèse porte sur l'analyse des spectres infrarouges thermiques de l'atmosphère de Titan enregistrés par l'instrument CIRS (Composite InfraRed Spectrometer), à bord de la sonde Cassini. L'objectif est d'inverser les distributions verticales de la température et des abondances des espèces minoritaires entre 100 et 500 km à plusieurs latitudes afin d'en étudier les variations latitudinales. L'instrument CIRS est un spectromètre infrarouge à transformée de Fourier observant dans la gamme spectrale 10-1400 cm-1 qui présente de nombreuses signatures dues aux bandes de rotation-vibration de CH4, C2H2, C2H4, C2H6, CH3C2H, C3H8, C4H2, C6H6, HCN, HC3N et CO2. Les intensités de ces bandes dépendent à la fois de la température et de l'abondance de ces constituants. Il est donc nécessaire de connaître le profil de température avant de déduire les abondances des différents constituants. Le profil de température est déduit de l'intensité de la bande v4 de CH4 centrée à 1305 cm-1. En effet, l'abondance de CH4 est connue et a été mesurée in situ par la sonde Huygens. En utilisant cette abondance et en modélisant les spectres observés, il est possible d'en déduire la température. Pour cela, nous utilisons un code d'inversion qui résout l'équation de transfert radiatif en utilisant simultanément plusieurs spectres acquis avec une géométrie au limbe et au nadir et sondant différentes altitudes. Il est ainsi possible d'inverser le profil de température à une latitude donnée entre 100 et 500 km. J'ai effectué ce travail pour cinq latitudes : 56°S, 13°S, 56°N, 82°N et 83°N. J'ai ensuite utilisé ces profils de température inversés pour déduire, aux mêmes latitudes, les profils d'abondance des molécules minoritaires citées ci-dessus qui émettent principalement dans la gamme 600-1100 cm-1. J'utilise un algorithme d'inversion combinant à la fois les spectres au limbe et au nadir afin d'en déduire les profils d'abondance des molécules citées ci-dessus (hormis CH4). Une comparaison avec les observations précédentes (sonde Voyager et observations au sol) et les prédictions des modèles photochimiques a été réalisée. Enfin, la dernière partie de mon travail de thèse est consacrée à l'étude des rapports isotopiques 13C/12C et 15N/14N dans le HCN, ainsi que le rapport D/H mesuré dans C2H2. Les résultats obtenus pour différentes latitudes, ainsi que leurs implications concernant l'atmosphère de Titan sont présentés.
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