Minéralogie et spectroscopie visible et proche-infrarouge de la surface de Mars

Diffusion de la lumière solaire par une surface planétaire : composante réfléchie observée par un satellite Entre le moment où le rayonnement solaire est envoyé vers la surface planétaire et le moment où il va être analysé par OMEGA, le signal va être perturbé par les interactions avec l’environnement dans lequel il se propage. Dans le cas de Mars, ces interactions ont principalement lieu au niveau de sa surface et de son atmosphère. Tandis que la première interaction va nous apporter des informations que nous recherchons sur les caractéristiques de la surface, la seconde avec l’atmosphère peut perturber et même masquer ce signal. À noter que la présence de glace et de poussière sur la surface peut également perturber et/ou masquer la composition minéralogique sous-jacente qui est celle qui nous intéresse dans cette thèse. Ces interactions font intervenir différents processus (réflexion et réfraction, diffusion, absorption) et acteurs (composants de surface, gaz, aérosols) qui seront décrits dans cette section afin de mieux comprendre l’origine des variations spectrales et d’isoler celles liées à la surface.

L’intensité spécifique ou la radiance

 Afin de décrire l’interaction entre le rayonnement et une surface, on utilise souvent une grandeur physique appelée intensité spécifique. Cette grandeur notée I représente l’énergie radiative dE, transportée par les photons émis ou reçus par une surface élémentaire dS, lors d’un intervalle de temps dt, dans un intervalle de longueur d’onde dλ et dans un certain angle solide dω centré dans la direction faisant un angle  avec la normale à la surface dS (Eq. 1 et Figure 20) éq. 1 Le facteur cos() est nécessaire pour prendre en compte le fait que le nombre de photons qui sont effectivement émis ou reçus par la surface dans l’angle solide dω est déterminé par la surface projetée perpendiculairement à la direction du rayonnement, qui a pour valeur dS.cos(θ), et non la surface réelle dS. Dans la suite, l’angle d’incidence ’ sera noté i et l’angle d’émergence  sera noté e.C’est cette intensité spécifique qui va être modifiée par les réflexions et les absorptions qui vont avoir lieu lors de l’interaction du rayonnement avec l’environnement planétaire et qui va donc contenir les informations de surface recherchées. 61 

La composante réfléchie par la surface 

Comme nous l’avons vu dans les sections précédentes , la surface de Mars est souvent composée d’un sol formé d’une multitude de particules plutôt grossières de différentes compositions, et de roches qui contiennent des minéraux sous forme de cristaux. Particules grossières et cristaux seront regroupés dans la suite sous le terme de grains qui interagissent avec le rayonnement. La surface peut aussi être recouverte par endroits de glaces (CO2 et eau) et de poussières fines. L’interaction entre le rayonnement incident et la surface est principalement dominée par les processus de réflexion, de diffusion et d’absorption par les grains de différentes compositions, tailles et orientations, qui composent les sols et roches de surface. Une partie de ce rayonnement incident va être directement réfléchi par la surface sans pénétrer dans le milieu. Dans le cas d’une surface totalement plane, le rayonnement serait réfléchi avec un angle d’émergence égal à l’angle d’incidence, on appelle cela la réflexion spéculaire. Cependant, dans le cas de la surface de Mars, les multiples orientations de surface des différents grains qui la composent à grande échelle, vont réfléchir le rayonnement incident non pas dans une seule, mais dans toutes les directions. Ce comportement est considéré comme une diffusion plutôt que comme une réflexion classique, et est appelé « composante réfléchie après diffusion en surface » (Figure 21b). Cette composante ne pénétrant pas dans le milieu, elle ne pourra pas être absorbée par les minéraux et ne contiendra donc pas de bandes d’absorption, elle formera une partie du continuum du spectre. La deuxième partie de ce rayonnement incident va être transmise dans le milieu et interagir avec lui. Les grains présents vont alors représenter autant de dioptres sur lesquels les rayons vont se réfléchir ou être réfractés jusqu’à ce qu’ils soient absorbés, se perdent dans le milieu ou qu’ils émergent à la surface dans une direction quelconque (Figure 21b). Cette interaction est appelée « réflexion diffuse» et la composante du rayonnement qui en émerge est appelée « composante réfléchie après diffusion en volume ». Cette composante a été en partie absorbée par les composants de la surface et permet donc d’en contraindre la composition grâce à leurs bandes d’absorptions caractéristiques. En plus de cette composante diffusée, la surface émet vers l’espace un autre rayonnement dans l’infrarouge, l’émission thermique. Cette émission, qui n’intervient que pour des longueurs d’onde supérieures à 3m, est due à la température de la surface et suit la loi d’émission d’un corps gris Jouglet [2008]. Cependant, dans le cadre de cette thèse, nous n’étudierons la surface que dans les domaines du visible et du proche infrarouge [0.36-2.7m] dans lesquels la composante thermique n’intervient pas, elle ne sera donc pas développée dans la suite. 

Les effets de l’atmosphère

Comme nous l’avons déjà mentionné plus haut, au cours de son trajet dans l’environnement planétaire, le rayonnement peut entrer en interaction avec l’atmosphère. Cette interaction intervient au niveau du rayonnement solaire incident qui traverse l’atmosphère pour atteindre la surface ainsi qu’au niveau de la composante réfléchie par la surface sur le trajet retour depuis la surface jusqu’au satellite, l’atmosphère a donc une double incidence sur l’intensité captée par les instruments. Deux types d’effets atmosphériques sont à considérer : l’apparition de bandes d’absorption dues aux constituants gazeux, et la modification du continuum spectral par la diffusion sur les aérosols (Figure 23). Bien qu’ils soient rares, il existe également des nuages de glace de CO2 et d’eau dans l’atmosphère martienne qui peuvent également absorber et diffuser le rayonnement. Ces effets d’absorptions et de diffusions seront d’autant plus fort que la quantité d’atmosphère traversée est grande, ils augmentent donc avec l’angle d’incidence i et d’émergence e et diminuent avec l’altitude. Afin d’isoler la composante de la surface, il est nécessaire de comprendre l’origine de ces effets et de les quantifier afin de pouvoir les extraire du spectre électromagnétique ou, s’ils ne peuvent pas être corrigés, d’exclure les spectres trop affectés.