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Observations millimétriques et submillimétriques des composés oxygénés dans les atmosphères planétaires : préparation aux missions Hershel et ALMA

De
264 pages
Sous la direction de Michel Dobrijevic
Thèse soutenue le 03 octobre 2008: Bordeaux 1
Les domaines millimétrique et submillimétrique sont des domaines qui permettent de caractériser la physico-chimie des atmosphères planétaires par l'observation des molécules qui les composent. Le télescope spatial Herschel et l'interféromètre ALMA, qui entreront prochainement en service, permettront d'améliorer considérablement notre connaissance des atmosphères planétaires. L'un des principaux objectifs de cette thèse est de développer un modèle d'analyse des observations millimétriques et submillimétriques qui seront effectuées avec Herschel et ALMA. C'est en ce sens que nous détaillons un modèle qui tient compte de la géométrie sphérique des corps observés et des spécificités instrumentales propres aux télescopes utilisés. Dans un premier temps, ce qui a permis notamment de valider notre modèle de transfert radiatif, nous avons étudié l'origine des composés oxygénés dans les atmosphères des planètes géantes. Nous présentons l'analyse d'observations de Saturne et d'Uranus, effectuées avec les télescopes de l'IRAM et du JCMT, pour contraindre les sources de monoxyde de carbone dans ces atmosphères. Nous améliorons ainsi les limites supérieures précédemment publiées et réalisons la première observation du monoxyde de carbone dans l'atmosphère de Saturne dans le domaine submillimétrique. Cette observation prouve l'existence d'une source externe pour ce composé. Nous analysons également des observations récentes de Jupiter, effectuées par le télescope spatial Odin, pour contraindre l'origine externe de l'eau dans la stratosphère de cette planète. Les observations confirment que la chute de la comète Shoemaker-Levy~9 est vraisemblablement la source principale d'eau. Dans un second temps, nous avons appliqué notre modèle à l'étude de la structure thermique et la dynamique de l'atmosphère de Mars, à partir d'observations du monoxyde de carbone. Ces observations sont comparées aux prédictions d'un modèle de circulation générale, ce qui permet de vérifier la validité de ses prédictions et de fournir de nouvelles contraintes observationnelles pour ce type de modélisations. Enfin, nous avons appliqué notre modèle à l'étude des planètes géantes avec le télescope spatial Herschel, dans le cadre du programme-clé de temps garanti du télescope spatial Herschel ``Water and related chemistry in the Solar System''. Nous avons également identifié les améliorations à apporter à notre modèle pour analyser des observations ALMA.
-Système solaire
-Planètes géantes
-Mars
-Atmosphère
-Spectroscopie (sub)millimétrique
-Transfert radiatif
-Photochimie
-Composés oxygénés
-Herschel
-ALMA
The planetary atmospheres can be characterized by observations carried out in the millimeter and submillimeter wavelength ranges. In a near future, the Herschel Space Observatory as well as the ALMA interferometer will increase our knowledge of the planet atmospheres. One of the main goals of this thesis work consists in developping an analysis tool for millimeter and submillimeter observations, which will be carried out with Herschel and ALMA. The model we have developped takes into account the spherical geometry of the planets and the properties of the telescopes. First, we have studied the origin of oxygen compounds in the atmospheres of the giant planets. We have validated our radiative transfer model from this study. We present the analysis of observations of carbon monoxide in the atmospheres of Saturn and Uranus, which have been carried out with the IRAM and JCMT telescopes, in order to constrain the origin of this compound. We improve existing upper limits and prove the existence of an external source of carbon monoxide in the atmosphere of Saturn from the first observation of this compound at submillimeter wavelengths. We also analyse recent observations from the Odin space telescope of water vapor in the stratosphere of Jupiter to constrain its external source. We confirm that the observed water is probably mostly due to the collision of comet Shoemaker-Levy~9 with the planet. Then, we have used our model in order to study the thermal structure as well as the dynamics of the atmosphere of Mars from carbon monoxide observations. These observations are compared to predictions of a general circulation model to check the consistency of the predictions. They also provide new observational constraints to general circulation models. Finally, we have used our model to study the atmospheres of the giant planets in the frame of the Herschel garanteed time key-program ``Water and related chemistry in the Solar System''. We have also determined the upgrades to implement in our model to analyse ALMA observational data.
-Solar System
-Giant planets
-Mars
-Atmosphere
-(Sub)Millimeter spectroscopy
-Radiative transfer
-Photochemistry
-Oxygen compounds
-Herschel
-ALMA
Source: http://www.theses.fr/2008BOR13626/document
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.
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.
.
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.
.
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.
.
.
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.
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.
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.
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.
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.
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73
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.
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.
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l'absorption
.
d'un
.
milieu
.
.
.
.
.
.
temp
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
vi
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
50
.
1.2.1
62
Cas
Le
particulier
radiatif
d'un
géométrie
milieu
65
uniquemen
Motiv
t
.
absorban
.
t
.
:
.
la
.
loi
.
de
.
Beer-
.
Lam
.
b
.
ert
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
2.2
.
géométrie
.
problème
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
67
.
Amélioration
.
à
.
orter
.
vue
.
la
.
délisation
.
observ
.
tions
.
par
50
.
1.2.2
.
Dénition
.
de
.
l'épaisseur
.
optique
.
due
.
à
.
l'absorption
.
d'un
.
milieu
.
.
.
.
.
.
.
50
.
1.2.3
3
Résolution
prise
de

l'équation

du
tales
transfert
3.1
radiatif
tro
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
51
.
1.2.4
.
L'épaisseur
.
optique
.
totale
.
.
3.2
.
fonction
.
tenne
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
3.2.1
.
lob
.
d'an
.
.
.
.
53
.
1.3
.
Le
.

.
du
.

.

.
t
.
d'absorption
.
à
.
une
.
altitude
.
donnée
74
.
Mo
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
54
.
1.3.1
.
L'absorption
.
induite
.
par
.
les
.

.

.

3.2.3

e

-
.
es
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
54
.
1.3.2
.
L'absorption
.
due
.
aux
3.3
transitions
résolution
rotationnelles
ectrale

tale
r
.
ot
.

.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
77
.
Les
57
de
1.4
tation
La
sp
solution
.
de
.
l'équation
.
du
.
transfert
.
radiatif
.

.
.
.
.
.
.
3.4.1
.
densité
.
ux
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
61
.
1.4.1
.
Les
.
sens
.
des
.
deux
.
termes
.
de
.
la
3.4.2
solution
temp
.
de
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
79
.
La
.
érature
.
tenne
61
.
1.4.2
.
La
.
fonction
.
de
.

.
tribution
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
80
.
..
Prol
Uran
ABLE
a
DES
.
MA
.
TIÈRES
Discussion
vii
.
4
.
Une
Neptune
sp
observ

de
des
.
planètes
.
géan
m
tes
.
:
.
le
.
sme
.
aring
.
83
.
4.1
.
Le
.
sme
.
aring
.
:
.
un
.
eet
.

.
de
2.4.3
la
.
taille
.
et
.
de
.
la
.
p
des
ério
.
de
.
de
.
rotation
.
des
.
planètes
.
géan
.
tes
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
et
.
.
.
de
.
ations
.
.
.
.
.
.
.
au
.
Prols
.
.
.
.
.
.
.

.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
105
.
.
83
.
4.2
.
Mo
105
délisation
.
du
.
sme
.
aring
.
.
et
.
.
.
.
.
Observ
.
.
.
.
.
.
.
107
.
.
.
.
.
.
.
.
.
CO
.
.
.
.
.
2.3.4
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
observ
.
.
.
.
83
114
4.3
tenne
Ordre
.
de
.
grandeur
l'an
du
.
sme
.
aring

p
.
our
.
les
.
planètes
absolue
étudiées
.
.
.
.
CO
.
.
.
.
.
2.4.6
.
.
.
.
.
.
.
.
85
ossibles
4.3.1
.
Un
.
eet
.
qui
.
dép
.
end
.
de
.
la
2.2
résolution
.
spatiale
.
de
.
l'observ
.
ation
.
.
.
.
.
.
.
.
.
86
Jupiter
4.3.2
.
Un
.
eet
.
observ
.
able
.
selon
.
la
.
résolution
Saturne
sp
.
ectrale
.
de
.
l'observ
.
ation
.
.
.
.
.
87
2.3
4.4
d'Uran
Amélioration
analyse
à
.
app
.
orter
.
en
.
vue
107
de
.
la
.
mo
.
délisation
.
des
.
observ
.
ations
.
faites
.
par
Mo
ALMA
tin
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
109
.

.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
112
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
2.4
.
de
.
analyse
.
.
.
.
88
.
Conclusion
.
91
Observ
I
ec
I
30
I
.
Application
.
à
.
l'étude
2.4.2
des
v

de
osés
JCMT
o
.
xygénés
.
dans
.
les
dèle
at-
uum
mosphères
.
des
.
planètes
.
géan
.
tes
.
93
.
In
2.4.4
tro
observ

.
95
.
1
.
Con
120
texte

97
.
1.1
.
La
.

.
des
.

.
osés
.
o
.
xygénés
.
dans
.
les
.
atmosphères
.
des
.
planètes
.
géan
122
tes
p
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
105
.
État
.
lieux
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
2.2.1
.
et
.
.
97
.
1.2
.
Généralités
.
sur
.
la
.

.
himie
.
des
.

.
osés
.
o
.
xygénés
.
.
.
.
2.2.2
.
et
.
us
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
98
.
1.2.1
.
Les
106

Les

ations
:
us
H
leur
2
.
O,
.
CO
.
et
.
CO
.
2
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
2.3.1
.
ations
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
98
.
1.2.2
.
Le
.
sc
.
héma
.
réactionnel
.

.
.
.
.
2.3.2
.
dèle
.

.
uum
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
2.3.3
.
v
99
de
1.3
testés
La
.
question
.
de
.
l'origine
.
des
.

.
osés
.
o
.
xygénés
.
.
.
.
111
.
Résultats
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
100
.
1.3.1
.
L'origine
.
externe
2.3.5
de
.
H
.
2
.
O
.
et
.
de
.
CO
.
2
.
stratosphériques
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
113
100
Les
1.3.2
ations
Quelle
Saturne
origine
leur
p
.
our
.
le
.
CO
.
?
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
2.4.1
.
ations
.
v
.
l'an
.
de
.
m
.
l'IRAM
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
115
.
Observ
.
a
.
ec
.
tenne
.
15
101
du
1.3.3
.
Commen
.
t
.
déterminer
.
l'origine
.
des
.

115
osés
Mo
o
de
xygénés
tin
?
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
101
.
1.4
.
Conclusion
.
.
.
.
.
.
119
.
Calibration
.
des
.
ations
.
JCMT
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
2.4.5
.
v
.
de
.
testés
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
122
.
Résultats
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
103
.
2
.
Le
.
mono
.
xyde
.
de
.

.
one
.
105
.
2.1
T
Les.
de
.
T
xyde
ABLE
.
DES
.
MA
fonction
TIÈRES
.
2.4.7
.
Discussion
ation
.
.
.
.
.
Distribution
.
.
.
.
.
.
.
.
.
ations
.
.
.
.
.
.
.
L'observ
.
.
.
.
.
de
.
.
.
.
.
de
.
.
.
spatiale
.
.
.
er
.
par
.
.
.
.
.
4.1
.
.
.
.
.
in
.
.
.
.
.
.
125
.
2.5
.
Conclusion
.
et
.
p
v
ersp
.
ectiv
.
es
tes
.
.
.
.
.
158
.
.
.
.
.
165
.
de
.
.
.
.
.
.
.
1.3
.
.
.
.
.
sim
.
de
.
.
.
.
.
viii
.
.
.
4
.
spatial
.
spatial
.
.
.
.
.
.
.
tation
.
r
126
.
3
.
L'eau
.
129
.
3.1
148
Une
.

.
train
.
te
.
observ
géan
ationnelle
.
:
.
l'atmosphère
des
terrestre
.
.
.
.
.
.
sp
.
.
.
4.3.2
.

.
151
.
atmosphères
.
.
.
l'eau
.
.
129
.
3.2
Distribution
État
sur
des

lieux
.
.
.
.
.
.
IV
.
163
.
de
.
167
.
.
.
.
.
.
.
.
.
167
.
de
.
.
.
.
.
CO
.
.
.
.
.
.
.
1.3.1
.
et
.
.
.
168
.
v
.
CO
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
des
.
télescop
130
hel
3.3
télescop
Observ
hel
ations
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
4.2
.
programme
.
ater
.
d
.
Solar
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
Généralités
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
148
.
des
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
4.3
.
d'observ
130
.
3.3.1
.
Observ
.
ations
.
eectuées
.
par
4.3.1
le
testés
télescop
syn
e
.
spatial
.
SW
.
AS
des
.
d'in
.
.
.
.
.
La
.
dans
.
planètes
.
.
.
158
130

3.3.2
.
Observ
.
ations
.
eectuées
.
par
.
le
158
télescop
l'eau
e
la
spatial
et
Odin
Distribution
.
CO
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
Conclusion
.
à
131
de
3.4
tro
La
L'in
mo
du
délisation

de
Le
l'app
2
ort
.
externe
.
de
.
H
.
2
.
O
.
dans
.
la
.
stratosphère
La
de
temp
Jupiter
.
132
.
3.4.1
.
Le
.
mo
.
dèle
ation
photo
.

.
himique
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
ourquoi
.
12
.
13
.
t
.
.
.
.
.
La
.
vitesse
.
ts
.
ation
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
132
.
3.4.2
.
Les
.
h
.
yp
.
othèses
.
d'app
.
ort
.
externe
146
de
Préparation
H
observ
2
du
O
e
.

.
147
.
Le
.
e
.

.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
133
.
3.5
.
Mo
.
délisation
147
des
Présen
observ
du
ations
d'observ
.
W
.
and
.
elate
.

.
the
.
System
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
4.2.1
.
.
.
.
135
.
3.6
.
Résultats
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
4.2.2
.
ation
.
planètes
.
tes
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
149
.
L'estimation
.
temps
.
ation
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
135
.
3.6.1
151
Données
Prols
SW

AS
et
.
ectres
.
thétiques
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
151
.
Calcul
.
prévisions
.
temps
.
tégration
.
.
.
.
.
.
.
.
.
4.4
.

.
l'eau
.
les
.
des
.
géan
.
.
.
.
.
.
.
4.4.1
.
v
.
de
.
.
136
.
3.6.2
.
Données
.
Odin
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
4.4.2
.
de
.
en
.
de
.
latitude
.
Jupiter
.
Saturne
.
4.5
.
v
.
de
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
159
137
161
3.7
Application
Discussion
l'étude
.
l'atmosphère
.
Mars
.
In
.

.
1
.
térêt
.
l'étude
.
mono
.
de
.
one
.
1.1
.

.
CO
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
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1.2
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168
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169
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