Analyses photométriques de Titan

C'est l'objet qui fédère l'ensemble de l'équipe. Ce satellite de Saturne possède une atmosphère dense composée principalement d'azote et le méthane. La dissociation de ces deux espèces principales par des photons UV et des particules énergétiques produit un ensemble de molécules complexes et une couche d'aérosols globale. Titan est un satellite avec une météorologie vigoureuse, comportant de nombreux cycles encore mal définis, une surface présentant diverses structures (lits de rivières asséchés, dunes, cratères, lacs d'hyrdocarbures et peut-être des cryovolcans) et une photochimie bien plus riche que ce qui était prévu initialement. L'étude de Titan est intéressante pour l'ensemble des processus en jeu (météorologie et climat, photochimie) mais aussi car il s'agit également d'un analogue de la terre primitive. En particulier la photochimie qui y prend place est de nature à produire des molécules prébiotiques et la brume photochimique omniprésente est de même nature que celle qui a protégé les basses couches de la Terre au debut de l'apparition de la vie. En 2004, la mission Cassini-Huygens (NASA/ESA) est entrée dans le système de Saturne, et depuis, les instruments de l'orbiteur Cassini observent Saturne et ses satellites régulièrement. L'orbiteur passe aux abords de Titan une fois par mois en moyenne, et produit une grande quantité d'information. En 2005, Huygens est descendue dans l'atmosphère de Titan et a permis d'observer et de mesurer les propriétés atmosphériques de l'intérieur, produisant ainsi un jeu de mesure in situ unique. La compréhension du système climatique de Titan passe par l'analyse de ces observations. Au GSMA, nous analysons divers types d'observations photométriques pour caractériser les couches d'aérosols et de nuages. Notre intérêt se porte, d'une part, sur la brume stratosphérique et troposphérique ainsi que la couche nuageuse pour ensuite caractériser le système climatique et, d'autre part, sur la brume de haute altitude et la connexion entre les processus chimiques et les aérosols. La partie la plus importante du travail consiste à développer des modèles de définition des propriétés atmosphériques puis, en utilisant des modèles de transfert radiatif (SHDOM, SPSDISORT,...), à modéliser l'interaction entre la lumière solaire et la planète dans différentes géométries.

Cliché de Titan pris avec ISS (Porco et al., 2005) aux longueurs d'onde visibles (à gauche) et avec VIMS (Le Mouélic et al., 2012) en infrarouge proche (milieu et à droite). A gauche, Titan apparaît recouvert d'une brume quasiment uniforme et la couche détachée apparait au dessus de la couche principale. Les observations spectrales de VIMS permettent de sonder les basses couches et de retrouver les propriétés de l'atmosphère (brume et nuages) ainsi que la surface.

Nous utilisons des observations faites par le spectro-imageur VIMS, la camméra de navigation ISS et le spectromètre UVIS, tous trois embarqués sur l'orbiteur Cassini. Le but est de retrouver les caractéristiques de la brume de Titan, des nuages et leur évolution temporelle. Les différents instruments observent des longueurs d'onde diffeérentes, permettant d'acceéder à des couches différentes de l'atmosphère. L'objectif de ces études est multiple : un premier objectif est de cartographier l'opaciteé de la brume et des nuages, et retrouver les propriétés quantitatives de ces deux composantes (variations spatiales des opacités, comportements spectraux, taille des particules, etc...). Avec une bonne compréhension des opacités de l'atmosphère, et en particulier l'opacité des gaz, on peut aussi cartographier la surface assez finement dans plusieurs fenêtres. Les résultats de ces études de cartographie seront analysées en lien avec les résultats du GCM 3D développé à l'IPSL, avec la partie brume et nuages développées au GSMA. Les observations faites par Cassini couvrent la période allant de 2004 à nos jours. Cassini a donc pu observer l'équinoxe de printemps nord, un moment de changement où la circulation bascule, et observera le solstice d'hiver nord suivant si la mission Cassini se poursuit comme prévu jusqu'en 2017. Il s'agit donc d'un travail essentiel qui permettra d'apporter des contraintes précises pour étudier le climat de Titan Un deuxième objectif important est de caractériser la brume à haute altitude, dans les couches atmosphèriques correspondant aux zones où les aérosols sont génés. Les aérosols de Titan sont crées par la photochimie à très haute altitude (>800 km), puis croissent et sédimentent jusque dans les basses couches. Ces aérosols peuvent être étudiés grâce aux observations d'ISS et d'UVIS et grâce aux modèles de transfert radiatif qui pemettent de modéliser le signal observé. La distribution en taille et la répartition spatiale des aérosols peut ainsi ètre déterminée, permettant ainsi de faire le lien entre la photochimie et la formation des aérosols. L'autre mode d'étude des hautes couches atmosphériques passe par la modélisation de la photochimie et la ionisation des molécules qui, in fine, produisent les aérosols.