Les aérosols de l’atmosphère de Mars (poussières en suspension, cristaux de glace…) rediffusent la lumière solaire dans toutes les directions, et notamment vers l’arrière. La lumière atteignant l’observateur comporte donc une contribution diffusée par ces particules et n’ayant jamais interagi avec la surface, qui complique l’étude de celle-ci mais porte une information permettant de caractériser la composition et la taille des aérosols. Ceux-ci jouent un rôle majeur dans la dynamique de l’atmosphère de Mars (images extraites de Erard et al., Icarus 1994).
Aerosols in the Martian atmosphere scatter light in all directions, in particular in the backward direction. A certain amount of light reaching the observer has thus never interacted with the surface. This makes it more difficult to study surface properties, but provides information on composition and size distribution of the aerosols. These particles, either ice crystals or airborne dust, play a major role in the atmosphere dynamics (Images from Erard et al., Icarus 1994).
Cette contribution est observable directement au limbe de la planète, en regardant au-dessus de la surface. Les observations de ce type n’ont qu’une valeur indicative parce qu’elles sont partiellement contaminées par la lumière provenant de la surface. Dans la figure ci-dessous, un autre spectre acquis à plus haute altitude est soustrait pour atténuer cet effet. Ce spectre comporte des absorptions atmosphériques (gaseuses), un continuum dont la forte pente spectrale dépend de la taille des particules (de l’ordre de 1 micron), et de faibles absorptions qui reflètent leur composition.
Une estimation plus fiable peut être faite à partir de régions observées à plusieurs reprises sous des angles différents. Le spectre suivant est la moyenne d’une centaine d’estimations faites à l’est de Pavonis Mons, à l’aide d’un modèle simplifié des contributions lumineuses. La ligne blanche continue est le continuum ajusté sur les données, dont la forme permet d’estimer la distribution en taille des aérosols. Elle est compatible avec un rayon moyen de 1,2 µm et une variance effective de 0,2, pour une opacité de 0,2 à 1,9 µm. Ceci correspond à un rayon moyen deux fois plus petit que celui mesuré par Viking en 1977 et à une distribution plus étroite ; ce résultat est probablement relié à l’absence de tempête de poussière globale à la fin des années 80.
A more robust estimate of the aerosols spectrum can be derived using a simplified model of the contributions. Since their dependence upon viewing angles are different, the two contributions can be separated by looking at the same region under different geometries. The estimate below is the average of about 100 spectra acquired east of Pavonis Mons. The white line is the continuum fitted on the data, which is related to the particle size distribution. It is consistent with a narrow distribution with an average radius twice as small as measured by Viking in 1977 (effective radius 1.2 µm and effective variance 0.2, for an opacity of 0.2 at 1.9 µm). The smaller size and narrower distribution are probably related to the lack of global dust storm in the Phobos-2 era.
Les bandes d’absorption apparaissent plus clairement sur le spectre rapporté à son continuum, et permettent d’identifier la nature des particules. Le spectre est ici comparé à un spectre de glace d’eau (en bleu), qui rend compte des principales absorptions.
Absorption bands are best observed on continuum-ratioed spectra, yielding information on aerosols composition. The blue spectrum here is a water-ice spectrum, that accounts for the main spectral features.
Les autres absorptions permettent d’identifier la composante minérale (poussières). Elles sont ici comparées à la glace H2O et à un spectre d’argile (kaolinite hydratée), qui ensemble rendent compte des principales signatures spectrales observées. En pratique il est difficile d’aller plus loin que la simple identification minéralogique, les estimations d’abondance étant très dépendantes des modèles employés.
Other absorptions are related to the airborne dust. The feature at 1.8 µm can be understood as a mixture of water-ice and clay (kaolinite + 25% water) absorptions. Abundances are difficult to retrieve because they are strongly model-dependent.
Les spectres ci-dessous sont moyennés dans des régions uniformes représentatives de la diversité des zones observées par ISM. En première approximation, le signal mesuré est la somme de la lumière réfléchie par la surface et d’une composante rétrodiffusée par les aérosols. Celle-ci modifie sensiblement les absorptions apparentes, même quand l’atmosphère est claire comme c’était le cas lors des observations ISM. Cet effet doit donc être pris en compte pour interpréter les signatures de surface. Les principales absorptions atmosphériques gaseuses sont indiquées.
The spectra below are averaged in homogeneous units, and are representative of the diversity in the equatorial regions of Mars. At this stage, they still contain an additive scattered contribution that modifies surface absorptions, and interferes with mineralogical identification. The effect is large even for low atmospheric opacities such as those experienced by ISM, and must be taken into account.
On obtient une meilleure estimation des spectres de la surface en corrigeant les observations de la composante diffusée. Ces spectres sont nettement plus sombres (10-20% vers 1 µm), le contraste spatial est plus marqué, les bandes d’absorption sont plus profondes et légèrement décalées vers les courtes longueur d’onde (de 25-50 nm), et les pentes spectrales sont moins fortes et moins variables. L’effet des aérosols sur la pente spectrale observée est du même ordre que celui attendu pour des variations des propriétés de surface (variations granulométriques, pellicules d’altération par des matériaux oxydés…). Dans les régions claires, toutes les variations de pente spectrale semblent pouvoir s’expliquer par les variations photométriques de la composante diffusée dans l’atmosphère.
The same spectra tentatively corrected for atmospheric scattering yield a better estimate of surface reflectance. These spectra are markedly darker (10-20% around 1 µm), absorption bands are deeper and slightly shifted to shorter wavelengths (by ~25-50 nm), spectral solpe is less steep and less variable. The effect of aerosols on spectral slope is quantitatively of the same magnitude as that expected from variations of surface properties (particle size, thin ferric coatings on basalt…). In bright regions, all the variations of spectral slope observed seem related to photometric variations of the aerosols scattered contribution.
L’effet est particulièrement sensible sur des rapports de spectres sombre/clair. Sans correction, la bande à 1 µm est à peine visible, et la forme générale du rapport dans cette région est due au continuum de diffusion. Sur le rapport de spectres corrigés on voit par contre très nettement la bande Fe2+ des matériaux sombres et plus faiblement la bande Fe3+ des spectres clairs qui apparaît en négatif (comme une bosse) vers 0,85 µm. Les deux bandes semblent situées à des longueurs d’onde légèrement plus grandes sans la correction, à cause de la forte pente des spectres d’aérosols ; cet effet est important, parce qu’il change notablement l’interprétation minéralogique.
The difference is particularly visible on ratioed spectra (dark/bright areas). Without correction the 1 µm band is subdued, and the overall shape is related to the scattering continuum. On ratios of corrected spectra conversely, the Fe2+ band in dark materials stands out clearly and the Fe3+ band of bright materials is visible as a bump at 0.85 µm. Both absorptions are located at slightly higher wavelengths without correction, due to the steep slope of the scattered spectrum; this effect has a strong influence on mineralogical interpretation of surface spectra.
ISM a été développé avec le soutien du CNES
