PICAM sur Mars Express: ( putain ,)10 ans !

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PICAM sur Mars Express: (putain,)10 ans ! F. Montmessin et l’équipe SPICAM au LATMOS France: LATMOS, LMD, IAS Russia: IKI Belgium: IASB, Univ. Liège U.S.: SwRI, Univ. of Arizona

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PICAM sur Mars Express: ( putain ,)10 ans !. F. Montmessin et l’équipe SPICAM au LATMOS France : LATMOS, LMD, IAS Russia : IKI Belgium : IASB, Univ. Liège U.S .: SwRI , Univ. of Arizona. L’équipe SPICAM. - PowerPoint PPT Presentation

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PICAM sur Mars Express: (putain,)10 ans !

F. Montmessin et l’équipe SPICAM au LATMOS France: LATMOS, LMD, IASRussia: IKIBelgium: IASB, Univ. LiègeU.S.: SwRI, Univ. of Arizona

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L’équipe SPICAM• France (LATMOS, LMD, IAS):

F. Montmessin (PI), J.-L. Bertaux (ex-PI), A. Reberac, G. Lacombe, N. Chapron, F. Lefèvre, J.-Y. Chaufray, F. Leblanc, F. Forget, S. Lebonnois, E. Quémerais, L. Maltagliati, A. Määttänen, C. Listowski, B. Gondet

• Russie (IKI) : O. Korablev (CoPI), A. Fedorova, A. Trokhimovsky, A.V. Rodin

• Belgique (IASB, Univ. de Liège) : A.-C. Vandaele, N. Mateshvili, Y. Willamme, J.-C. Gérard, A. Stiepen, D. Fussen, C. Simon

• U.S. (LPL): B. Sandel, A. Stern

• Collaborations: P. Withers, S. Bougher, T. McDunn, N. Schneider, etc.

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SPICAM on Mars 96: 40 kg

SPICAM « light » on Mars Express:4.8 kg

UV Grating Imaging

Spectrometer (4 kg)

IR AOTF Spectromete

r (0.8 kg) SPICAM IR solar (23 kg)

SPICAM UV/Vis étoile (17 kg)

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Schéma Optique

Nadirdirection

M

Ø30

Light trap

Telescope

FOV diaphragm

AOTF

IR detectors

Sundirection

Nadirdirection

40x40

Parabolicmirror Slit

Grating

Intensifier

CCD

M

FibreUV

IR

Bertaux et al. (JGR,2006)

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Instrument développé au LATMOS (ex-Service d’aéronomie).

Le même instrument vole sur la mission ESA Venus Express.

Bande spectrale / Résolution:UV: 118-320 nm R=150 IR: 1.0-1.7 µm

R=1300

Modes d’observation : • Occultation (étoile /

soleil)• Nadir• Limbe

UV Spectrometer -3

kg-

IR Spectrometer -

800 g-

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Light IN OUT

RF IN

TeO2 crystal

Transducer

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Mars Express spacecraft

orbit

MARS

NADIR : l’instrument vise dans la direction du centre de la planète = mesure du spectre de la lumière solaire réfléchie par la surface et l’atmosphère Colonne d’abondance des

constituants CO2, O3, H2O responsables des absorptions observées

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Mars Express spacecraft

orbit

MARS

LIMBE : L’instrument vise le “bord”de la planète = mesure du spectre des émissions et diffusion du spectre solaire par l’atmosphère Profil vertical en altitude des émissions aéronomiques et des poussières

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Spectrum of the star :

outside the atmosphere

through the atmosphere

star

Mars Express spacecraft

orbit

MARS

Line of sight

OCCULTATION : L’instrument vise une étoile à travers l’atmosphère de la planète = mesure du spectre de l’étoile à travers et hors atmosphère profils verticaux des constituants responsables des absorptions observées (CO2, O3, O2, CO, H2O, aérosols)

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NO δ C2 – X2

NO γ A2 + – X2

H Lyα

Spectre UV (côté nuit)

Bertaux et al. (Science, 2005)

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O21Dg

The oxygen O21Dg emission line

at 1.27 mm is produced by UV dissociation of O3

H2O ice

CO2 ice

Korablev et al. (JGR, 2006)

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Etat des lieux• Instrument health:

• UV channel defects noticed since orbit #2639 = additional “cleaning” stage in the pipeline

• Further degradation since Safe Mode #25 of Mars Express in summer 2011

• IR channel has operated flawlessly and continues to do so• Data Production:

• MEx has completed its 10,000th orbit in 2011• SPICAM has achieved >10,000 observations and collected

13,500,000 UV spectra and 2,000,000 IR spectra to date • 63 Giga-Octets of data transmitted to Earth

• Science Production:• 60 publications • JGR special edition (SPICAM results) in 2006• >180 communications in workshops/conferences

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Thèmes scientifiques couverts

1. Emissions spontanées de l’atmosphère:• NO detection and characterization (UV )• Auroras and Dayglows (CO2

+, CO, etc.) (UV) • Hydrogen and Oxygen corona (UV)• O2 dayglow/nightglow (IR) (also relevant to 2.)

2. Composition et climat:• Ozone, carbon dioxide (temperature) and water vapor mapping

and vertical profiling (UV & IR) • Aerosols and clouds characterization (UV & IR)

3. Surface(s) :• Phobos and Deimos observations (UV)

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Quelques accomplissements SPICAMesques…..

1. Martian Airglows:• First detection of Nitric Oxide emissions, revealing atmospheric global

circulation pattern;• First detection of auroras above crustal magnetic field anomalies;• Characterization of dayglow and nightglow emissions;• Characterization of the O and H Martian corona.

2. Atmospheric Composition & Climate• Detection of mesospheric (>100 km) cloud layers, of likely CO2

ice origin;• First annual mapping of O3, simultaneously with H2O;• 4D (x,y,z,t) distribution of O3 and H2O through combination of

occultation and nadir modes;• Compilation of the largest density/temperature dataset in the

mesospheric/thermospheric 70 to 140 km altitude range;• Detection of water vapor in a high supersaturation state.

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Spectrum of the star :

outside the atmosphere

through the atmosphere ratio

star

Atmospheric Transmission

Mars Express spacecraft

orbit

SPICAM Ultra-Violet

observations, orbit #17

13 jan. 2004

MARS

Line of sight

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Occultation sequence

1 spectrum / second Dz~1-3 km

Prominent signatures of CO2, O3 and

aerosols

CO2 profile gives T(z)

Aerosols affect wholespectral range and

exhibits a pronounced spectral slope

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Forget et al. (JGR, 2009)

• Large differences between SPICAM observations and LMD GCM predictions for the mesopause altitude and temperature

• O underestimated by model = CO2 cooling underestimated

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Nuages mésosphériques martiens

Montmessin et al. (Icarus, 2006)

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Simultaneous temperature

profile inversion indicates that layers appear partly inside

supersaturated pockets of CO2

Nuages mésosphériques martiens : de la glace de CO2 ?

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Määttänen et al., Icarus, 2013

Evolution spatio-temporelle de l’activité nuages/aérosols :

• Occultations stellaires/solaires confondues

• Suivi de la hauteur max (plafond) des aérosols correspondant à une opacité colonne le long de la ligne de visée de 1

Ztop

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Mars Express spacecraft

orbit

MARS

NADIR : l’instrument vise dans la direction du centre de la planète = mesure du spectre de la lumière solaire réfléchie par la surface de la planète après qu’elle est traversée l’atmosphère

comparaison spectre mesuré/spectre solaire : Colonne d’abondance des constituants CO2, O3, H2O responsables des absorptions observées

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1.4

1.2

1.0

0.8

0.6

0.4

0.2

0.0

Rel

ativ

e al

bedo

320300280260240220200 wavelength (nm)

SPICAM relative albedo model with Earth O3/200 model with Earth O3

Observation nadir : principe

θ1

Scattering by surface with albedo A

MEX/ SPICAM

tv vertical optical thickness of absorption, varies strongly with wavelength

Absorptionby gas CO2

Water vapour band

SPICAM – near Infrared observations, orbit 8, 9 jan. 2004

SPICAM – Ultra-Violet observations, orbit 8, 9 jan. 2004

UV

IR

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Perrier et al. (J. Geophys. Res., 2006)

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Lefèvre et al. (2013)

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MY29

MY27

MY28

Multi-annual monitoring of H2O water vapor

MY30

MY27

MY28

H2O, pr.mm

Ls

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Annual water vapor cycle: an average view

All years combined

1 km3

of ice

H2O pr.mm

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MY29

MY27

Interannual variability of H2O vapor

MY30

MY28

H2O, pr.mm

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sun

Atmospheric Transmission

Mars Express spacecraft

orbitSPICAM Infrared

observations

Line of sight

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SPICAM data LMD GCM predictions

north

south

northern spring-summerMaltagliati et al. (Science,

2011)

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Maltagliati et al. (Science, 2011)

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Credit: ESA/AOES Medialab

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north

south

southern spring

SPICAM data LMD GCM predictions

Maltagliati et al. (Icarus, 2013)

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Meeting SPICAM/SPICAVPoros Island (Greece): 28 june to 2 july 2010

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50 – 100 ppm of water vapor at 60 km, for ~5 Ls

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60 km

Climate Model results:Water vapor contours (colors) superimposed on circulation pattern

Montmessin et al., 2004

0.1 50 200ppm

Northern summer Southern summer

Aphelion cloud belt formation

at z ~15 km

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On an annual average, the climatic asymmetry favors accumulation/storage of water in the north.

60 km

Montmessin et al., 2004

0.1 50 200ppm

Aphelion cloud belt formation

at z ~15 km

Southern summerNorthern summer

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60 km

Montmessin et al., 2004

0.1 50 200ppm

Southern summerNorthern summer

SPICAMGCM

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MY29

MY27

MY30

MY28

H2O, pr.mmInterannual variability of H2O vapor

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MY29

MY27

MY30

MY28

H2O, pr.mmInterannual variability of H2O vapor