elisabeth raynaud - soutenance de thèse - 3 octobre 2003 - observatoire de paris - université...

46
eth Raynaud - Soutenance de thèse - 3 octobre 2003 - Observatoire de Paris - Université Paris 7 - n° Elisabeth Raynaud - Soutenance de thèse - 3 octobre 2003 - Amphi du LAM - Observatoire de Meudon Etude de la haute atmosphère polaire de Jupiter par occultation stellaire et spectro-imagerie infrarouge Elisabeth Raynaud Sous la direction de Pierre Dross LESIA, Observatoire de Paris

Upload: joel-drouin

Post on 03-Apr-2015

104 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Page 1: Elisabeth Raynaud - Soutenance de thèse - 3 octobre 2003 - Observatoire de Paris - Université Paris 7 - n° 1Elisabeth Raynaud - Soutenance de thèse - 3

Elisabeth Raynaud - Soutenance de thèse - 3 octobre 2003 - Observatoire de Paris - Université Paris 7 - n° 1Elisabeth Raynaud - Soutenance de thèse - 3 octobre 2003 - Amphi du LAM - Observatoire de Meudon

Etude de la haute atmosphère polaire de Jupiter par occultation stellaire et

spectro-imagerie infrarouge

Elisabeth Raynaud

Sous la direction de Pierre DrossartLESIA, Observatoire de Paris

Page 2: Elisabeth Raynaud - Soutenance de thèse - 3 octobre 2003 - Observatoire de Paris - Université Paris 7 - n° 1Elisabeth Raynaud - Soutenance de thèse - 3

Elisabeth Raynaud - Soutenance de thèse - 3 octobre 2003 - Observatoire de Paris - Université Paris 7 - n° 2

Occultations stellaires...

...Spectro-imagerie de l'émission de l'ion H3+

• Ce sont deux moyens d'observation de l'atmosphère à haute altitude….

• Ils permettent de caractériser la température de cette atmosphère..

Page 3: Elisabeth Raynaud - Soutenance de thèse - 3 octobre 2003 - Observatoire de Paris - Université Paris 7 - n° 1Elisabeth Raynaud - Soutenance de thèse - 3

Elisabeth Raynaud - Soutenance de thèse - 3 octobre 2003 - Observatoire de Paris - Université Paris 7 - n° 3

Plan de l'exposé :

Introduction sur la haute atmosphère de Jupiter

Occultations stellaires et ondes de gravité Principe d'une occultation stellaire Présentation des occultations étudiées Profils de température

Etude des fluctuations et caractérisation d'ondes

Spectro-imagerie et émission de H3+

Observations et réduction Cartes d'émission de H3

+

Ajustement à des spectres théoriques : modèles et méthode Résultats : cartes de température et de densité de colonne

Conclusions et perspectives

Page 4: Elisabeth Raynaud - Soutenance de thèse - 3 octobre 2003 - Observatoire de Paris - Université Paris 7 - n° 1Elisabeth Raynaud - Soutenance de thèse - 3

Elisabeth Raynaud - Soutenance de thèse - 3 octobre 2003 - Observatoire de Paris - Université Paris 7 - n° 4

Plan de l'exposé :

Introduction sur la haute atmosphère de Jupiter Occultations stellaires et ondes de gravité

Principe d'une occultation stellaire Présentation des occultations étudiées Profils de température

Etude des fluctuations et caractérisation d'ondes

Spectro-imagerie et émission de H3+

Observations et réduction Cartes d'émission de H3

+

Ajustement à des spectres théoriques : modèles et méthode Résultats : cartes de température et de densité de colonne

Conclusions et perspectives

Page 5: Elisabeth Raynaud - Soutenance de thèse - 3 octobre 2003 - Observatoire de Paris - Université Paris 7 - n° 1Elisabeth Raynaud - Soutenance de thèse - 3

Elisabeth Raynaud - Soutenance de thèse - 3 octobre 2003 - Observatoire de Paris - Université Paris 7 - n° 5

(Seiff et al 1998,Gaborit 2003)

Structure thermique verticale de Jupiter

Tra

nspo

rt d

e l'é

nerg

ie

Troposphère : CONVECTION

Stratosphère : RADIATION

Thermosphère : RADIATION + CONDUCTION

On appelle 'haute atmosphère' la partie de l'atmosphère située au-dessus de la tropopause

occultations

H3+

Page 6: Elisabeth Raynaud - Soutenance de thèse - 3 octobre 2003 - Observatoire de Paris - Université Paris 7 - n° 1Elisabeth Raynaud - Soutenance de thèse - 3

Elisabeth Raynaud - Soutenance de thèse - 3 octobre 2003 - Observatoire de Paris - Université Paris 7 - n° 6

(Yelle et al. 2001)

Pourquoi étudier la haute atmosphère de Jupiter?

Les sondes Pioneer, Voyager, Galileo ont révélé que la température de la haute atmosphère des planètes géantes était supérieure à celle prévue..

La thermosphère, est chauffée par un mécanisme jusqu'à présent indéterminé

Ondes de gravité Précipitation de

particules énergétiques

magnétophériques

Effet JouleOndes de

gravité Précipitation de particules

énergétiques magnétosphériques

Effet Joule

Page 7: Elisabeth Raynaud - Soutenance de thèse - 3 octobre 2003 - Observatoire de Paris - Université Paris 7 - n° 1Elisabeth Raynaud - Soutenance de thèse - 3

Elisabeth Raynaud - Soutenance de thèse - 3 octobre 2003 - Observatoire de Paris - Université Paris 7 - n° 7

P

FA

particule de fluide

z

Ondes de gravité

Les ondes de gravité sont des perturbations de l’équilibre hydrostatique :

z

-0.5

T

perturbations de densité, de

température dans l’atmosphère lors de la propagation

de l’onde

Oscillations de la particule de fluide autour de la

position d’équilibre, tant que

pad c

g

z

T

z

T

Instabilité : l’onde “déferle” et cède son énergie au

milieu environnant

CHAUFFAGE

Page 8: Elisabeth Raynaud - Soutenance de thèse - 3 octobre 2003 - Observatoire de Paris - Université Paris 7 - n° 1Elisabeth Raynaud - Soutenance de thèse - 3

Elisabeth Raynaud - Soutenance de thèse - 3 octobre 2003 - Observatoire de Paris - Université Paris 7 - n° 8

Connaître la structure thermique de Jupiter

• connaître la structure thermique verticale (fluctuations de température pour la détection d'ondes de gravité) de la haute stratosphère

OCCULTATIONS STELLAIRES

• connaître les variations horizontales de la température dans la thermosphère

SPECTRO-IMAGERIE

contraindre la température Information spatiale

Page 9: Elisabeth Raynaud - Soutenance de thèse - 3 octobre 2003 - Observatoire de Paris - Université Paris 7 - n° 1Elisabeth Raynaud - Soutenance de thèse - 3

Elisabeth Raynaud - Soutenance de thèse - 3 octobre 2003 - Observatoire de Paris - Université Paris 7 - n° 9

Introduction sur la haute atmosphère de Jupiter

Occultations stellaires et ondes de gravité Principe d'une occultation stellaire Présentation des occultations étudiées Profils de température

Étude des fluctuations et caractérisation d'ondes

Spectro-imagerie et émission de H3+

Observations et réduction Cartes d'émission de H3

+

Ajustement à des spectres théoriques : modèles et méthode Résultats : cartes de température et de densité de colonne

Conclusions et perspectives

Page 10: Elisabeth Raynaud - Soutenance de thèse - 3 octobre 2003 - Observatoire de Paris - Université Paris 7 - n° 1Elisabeth Raynaud - Soutenance de thèse - 3

Elisabeth Raynaud - Soutenance de thèse - 3 octobre 2003 - Observatoire de Paris - Université Paris 7 - n° 10

Principe de l'occultation stellaire

L'angle de réfraction et donc la diminution de flux dépendent des propriétés de l'atmosphère : réfractivité , densité , température T..

Lors d'une occultation stellaire, les rayons lumineux de l'étoile sont réfractés par l'atmosphère..

t1/2 (in) t1/2 (out)

Page 11: Elisabeth Raynaud - Soutenance de thèse - 3 octobre 2003 - Observatoire de Paris - Université Paris 7 - n° 1Elisabeth Raynaud - Soutenance de thèse - 3

Elisabeth Raynaud - Soutenance de thèse - 3 octobre 2003 - Observatoire de Paris - Université Paris 7 - n° 11

L'occultation de HIP 9369 par Jupiter (10 octobre 1999)

Cette occultation d'une étoile brillante (V~6,5) par la région polaire Nord de Jupiter a été observée de 4 sites en Amérique du Nord et au Chili :

VLT/ISAAC2.3-2.45 m

Obs. du Mont Mégantic (MEG)2.2 m

Obs. de Kitt Peak (KIT) - 1.6 m Catalina Station (CAT) - 0.89 m

Page 12: Elisabeth Raynaud - Soutenance de thèse - 3 octobre 2003 - Observatoire de Paris - Université Paris 7 - n° 1Elisabeth Raynaud - Soutenance de thèse - 3

Elisabeth Raynaud - Soutenance de thèse - 3 octobre 2003 - Observatoire de Paris - Université Paris 7 - n° 12

L'occultation de HIP 9369 par Jupiter (10 octobre 1999)

(Raynaud et al. 2003)

VLT :

MEG :

CAT :

KIT :

Page 13: Elisabeth Raynaud - Soutenance de thèse - 3 octobre 2003 - Observatoire de Paris - Université Paris 7 - n° 1Elisabeth Raynaud - Soutenance de thèse - 3

Elisabeth Raynaud - Soutenance de thèse - 3 octobre 2003 - Observatoire de Paris - Université Paris 7 - n° 13

L'occultation de Sco par Jupiter (13 mai 1971)

Cette occultation a été observée et analysée en 1971 (Combes et al. 1971, Vapillon et al. 1973) (Raynaud et al. 2004)

Ces résultats ne sont pas en accord avec ceux d'autres observateurs (Veverka et al. 1974), et avec la connaissance actuelle de Jupiter

ré-analyse des courbes de lumière

Page 14: Elisabeth Raynaud - Soutenance de thèse - 3 octobre 2003 - Observatoire de Paris - Université Paris 7 - n° 1Elisabeth Raynaud - Soutenance de thèse - 3

Elisabeth Raynaud - Soutenance de thèse - 3 octobre 2003 - Observatoire de Paris - Université Paris 7 - n° 14

Profils de température : méthodes utilisées

Courbe de lumière

Ajustement à des courbes théoriques (construites à partir

d'un modèle atmosphérique) (Baum and Code 1953)

Inversion abélienne de la courbe de lumière

(Kovaleski and Link 1969)

• facilement applicable• influence faible des paramètres photométriques

• modèle trop simple (isotherme) qui ne permet qu'une détermination de la température moyenne

• permet d'obtenir un profil vertical de T (et donc d'étudier les fluctuations)

• dépend des paramètres photométriques et de la condition initiale de température

ASTROMETRIE

Page 15: Elisabeth Raynaud - Soutenance de thèse - 3 octobre 2003 - Observatoire de Paris - Université Paris 7 - n° 1Elisabeth Raynaud - Soutenance de thèse - 3

Elisabeth Raynaud - Soutenance de thèse - 3 octobre 2003 - Observatoire de Paris - Université Paris 7 - n° 15

Modèle : atmosphère isotherme T

Calcul de la courbe de lumière correspondante

=T(t) (Baum and Code 1953)

Profils de température : méthode d ’ajustements

Courbe de lumière

Ajustement à des courbes de lumière

théoriques

Ajustement à l’observation : estimation de T et du temps

de mi-occultation t1/2

H= 28 ± 2.8 kmt1/2=24266.4 ± 1.2 s

Page 16: Elisabeth Raynaud - Soutenance de thèse - 3 octobre 2003 - Observatoire de Paris - Université Paris 7 - n° 1Elisabeth Raynaud - Soutenance de thèse - 3

Elisabeth Raynaud - Soutenance de thèse - 3 octobre 2003 - Observatoire de Paris - Université Paris 7 - n° 16

Ajustements isothermes : résultats pour HIP9369

H compris entre 24 et 29 km

le modèle isotherme est globalement correct

nombreux écarts très localisés (“ spikes”) à l’isothermalité : petites fluctuations de température

Page 17: Elisabeth Raynaud - Soutenance de thèse - 3 octobre 2003 - Observatoire de Paris - Université Paris 7 - n° 1Elisabeth Raynaud - Soutenance de thèse - 3

Elisabeth Raynaud - Soutenance de thèse - 3 octobre 2003 - Observatoire de Paris - Université Paris 7 - n° 17

Ajustements isothermes : résultats pour Sco

H=35 km > mesures précédentes( HIP9369, Hubbard et al. 1972 & 1995,..)

le modèle isotherme n’est pas bon pour ces courbes-là…

…mais Yelle et al. (2001) ont montré que l'émission stratosphérique de CH4 rendait la stratosphère jovienne quasi-isotherme...

flux de fond 0 comme paramètre libre : bon ajustement isotherme H~25 km comme dans le cas de HIP 9369, écarts localisés à l’isothermalité

Page 18: Elisabeth Raynaud - Soutenance de thèse - 3 octobre 2003 - Observatoire de Paris - Université Paris 7 - n° 1Elisabeth Raynaud - Soutenance de thèse - 3

Elisabeth Raynaud - Soutenance de thèse - 3 octobre 2003 - Observatoire de Paris - Université Paris 7 - n° 18

Profils de température : méthode de l ’inversion

Courbe de lumière

Inversion de la courbe de lumière

Courbe de lumière normalisée

Calcul du profil de température après imposition d'une

condition initiale au niveau de la mi-occultation

1

0

tdeb

Calcul de la déviation des rayonspuis de l’altitude et de la réfractivité

Page 19: Elisabeth Raynaud - Soutenance de thèse - 3 octobre 2003 - Observatoire de Paris - Université Paris 7 - n° 1Elisabeth Raynaud - Soutenance de thèse - 3

Elisabeth Raynaud - Soutenance de thèse - 3 octobre 2003 - Observatoire de Paris - Université Paris 7 - n° 19

les profils obtenus ont des températures moyennes compatibles avec les échelles de hauteur obtenues par ajustement isotherme ( H~25 km T~180 K)

ils sont globalement plus chauds que Galileo, sauf pour VLT (latitudes d’immersion et émersion = 55 & 58°N) réchauffement à haute latitude (modèle Grodent et al. 2001)

cohérence des courbes “proches” ( Mégantic, Kitt Peak et Catalina ) à l’immersion

présence de fluctuations de température sur les profils

Profils de température : résultats de l ’inversion

Page 20: Elisabeth Raynaud - Soutenance de thèse - 3 octobre 2003 - Observatoire de Paris - Université Paris 7 - n° 1Elisabeth Raynaud - Soutenance de thèse - 3

Elisabeth Raynaud - Soutenance de thèse - 3 octobre 2003 - Observatoire de Paris - Université Paris 7 - n° 20

tous les gradients ont la même forme arrondis du côté négatif piqués du côté positif dT/dz > -

Fluctuations de température : gradients

Gradients verticaux de température :

OUT

IN

Identiques à des gradients observés dans l’atmosphère terrestre et les atmosphères de Titan (Sicardy et al. 1999) , Venus (Hinson and Jenkins

1995) et Neptune (Roques et

al. 1994).

ONDES DE GRAVITE

Gradient adiabatique = -g/cp

Page 21: Elisabeth Raynaud - Soutenance de thèse - 3 octobre 2003 - Observatoire de Paris - Université Paris 7 - n° 1Elisabeth Raynaud - Soutenance de thèse - 3

Elisabeth Raynaud - Soutenance de thèse - 3 octobre 2003 - Observatoire de Paris - Université Paris 7 - n° 21

Fluctuations : emploi de la Transformée en Ondelettes

Comment étudier les fluctuations de petite échelle d’un profil moyen?

Transformée de Fourier (TF) ?Transformée Continue en Ondelettes (CWT)

0 0 0 0

Page 22: Elisabeth Raynaud - Soutenance de thèse - 3 octobre 2003 - Observatoire de Paris - Université Paris 7 - n° 1Elisabeth Raynaud - Soutenance de thèse - 3

Elisabeth Raynaud - Soutenance de thèse - 3 octobre 2003 - Observatoire de Paris - Université Paris 7 - n° 22

Fluctuations : emploi de la CWT (suite)

moyen=20 km

permet de décomposer un signal 1D en échelle (période) sans perdre la localisation des structures détectées la base de fonctions (ondelettes) peut être choisie selon utilisation on sait tenir compte des effets de bord propriétés de reconstruction isolement des structures de période 0 donnée

calcul d’un profil moyen pour >moyen

0 0 0 0

Page 23: Elisabeth Raynaud - Soutenance de thèse - 3 octobre 2003 - Observatoire de Paris - Université Paris 7 - n° 1Elisabeth Raynaud - Soutenance de thèse - 3

Elisabeth Raynaud - Soutenance de thèse - 3 octobre 2003 - Observatoire de Paris - Université Paris 7 - n° 23

Fluctuations : spectre de puissance

Atmosphère terrestre les fluctuations créées par ondes de gravité ont un spectre de puissance (1/ z)-3

"spectre universel" des ondes de gravité (Smith et al 1987)

pente -3pente -3 pentes proches de -3

similaires à ceux observés sur Titan (Sicardy et al. 1999) mais pas d’artefacts grâce à la CWT

Mise en évidence de signatures d’ondes de gravité…

Page 24: Elisabeth Raynaud - Soutenance de thèse - 3 octobre 2003 - Observatoire de Paris - Université Paris 7 - n° 1Elisabeth Raynaud - Soutenance de thèse - 3

Elisabeth Raynaud - Soutenance de thèse - 3 octobre 2003 - Observatoire de Paris - Université Paris 7 - n° 24

Fluctuations : détection de modes dominants

maximum local

sco

Modes d’ondes dominants :z

obs = 22.5, 13.9, 9.3, 2.9 km

zobs= 22.5 km

zobs = -21 km

ondes de gravité?

La CWT permet d’isoler les structures périodiques contenues dans les profils de température ( répartition en énergie ) adaptation de la CWT permettant de comparer les amplitudes

Ex : immersion de sco

Page 25: Elisabeth Raynaud - Soutenance de thèse - 3 octobre 2003 - Observatoire de Paris - Université Paris 7 - n° 1Elisabeth Raynaud - Soutenance de thèse - 3

Elisabeth Raynaud - Soutenance de thèse - 3 octobre 2003 - Observatoire de Paris - Université Paris 7 - n° 25

Comparaison à des simulations (K. Matcheva): propagation d’une onde de gravité simulée, de caractéristiques {z

obs,zobs} (Matcheva and Strobel 1999) comparaison à la reconstruction du mode observé

Reconstitution de chaque mode : calcul d’un profil moyen (moyen=30 km) pour décrire l’atmosphère pour chaque mode testé, calcul des variations de z, dues aux variations de T reconstruction du mode d’oscillation seul, T(z)

Fluctuations : détection de modes dominants (suite)

Mode z = 13.9 km

(Raynaud et al. 2004)

Page 26: Elisabeth Raynaud - Soutenance de thèse - 3 octobre 2003 - Observatoire de Paris - Université Paris 7 - n° 1Elisabeth Raynaud - Soutenance de thèse - 3

Elisabeth Raynaud - Soutenance de thèse - 3 octobre 2003 - Observatoire de Paris - Université Paris 7 - n° 26

Fluctuations : détection de modes dominants (fin)

Mode d’onde de gravité : zobs=13.9 km, h

obs=750 km, t=263 mnE=0.1 erg.cm-2.s-1

MAIS.. zobs n’est pas la longueur d’onde réelle!!

z

h

z

h

plan d’onde

plan d’onde

zobs

hobs

)tan.tan1(

obsz

z

La détermination des vrais paramètres de l’onde n’est pas possible si l’on ne dispose que d’une seule observation…... observation multi-sites!

dépend de la géométrie de l’onde… que l’on cherche

Page 27: Elisabeth Raynaud - Soutenance de thèse - 3 octobre 2003 - Observatoire de Paris - Université Paris 7 - n° 1Elisabeth Raynaud - Soutenance de thèse - 3

Elisabeth Raynaud - Soutenance de thèse - 3 octobre 2003 - Observatoire de Paris - Université Paris 7 - n° 27

Corrélations? la CWT permet d’isoler les fréquences les plus hautes recherche du décalage temporel optimal pour corréler les structures

Fluctuations : corrélation de plusieurs courbes

Observations multi-sites de 1999 : (Raynaud et al. 2003)

à tref , toutes les courbes sondent le même niveau de pression

A, B, C et D appartiennent au même train d’ondes(D non visible sur MEG)

Pour A, B, C : 3 points = 1 plan!

Page 28: Elisabeth Raynaud - Soutenance de thèse - 3 octobre 2003 - Observatoire de Paris - Université Paris 7 - n° 1Elisabeth Raynaud - Soutenance de thèse - 3

Elisabeth Raynaud - Soutenance de thèse - 3 octobre 2003 - Observatoire de Paris - Université Paris 7 - n° 28

Fluctuations : reconstruction géométrique de l ’ondeRepère local

Positionnement des plans A, B, et C :Positionnement des plans A, B, et C :

plans d’onde

Avec cette géométrie, on peut calculer les paramètres du train d’onde :z= 3.0 ± 0.9 km, h= 70 ± 34 km

Page 29: Elisabeth Raynaud - Soutenance de thèse - 3 octobre 2003 - Observatoire de Paris - Université Paris 7 - n° 1Elisabeth Raynaud - Soutenance de thèse - 3

Elisabeth Raynaud - Soutenance de thèse - 3 octobre 2003 - Observatoire de Paris - Université Paris 7 - n° 29

Fluctuations : discussion sur la nature de l ’onde

Paramètres du train d’onde :z=-3.0 ± 0.9 km, h=70 ± 34 km

NATURE de l’ONDE??

Si c’est une onde de gravité :équation de dispersion période (t=125 min - mode onde de gravité!)

vitesses de propagationgéométrie de l’onde direction de propagation

…mais une telle onde de gravité ne peut se propager sans être dissipée jusqu’à ces altitudes (K. Matcheva)...

Pas une onde de gravité? Incompatibilité avec dissipation

Page 30: Elisabeth Raynaud - Soutenance de thèse - 3 octobre 2003 - Observatoire de Paris - Université Paris 7 - n° 1Elisabeth Raynaud - Soutenance de thèse - 3

Elisabeth Raynaud - Soutenance de thèse - 3 octobre 2003 - Observatoire de Paris - Université Paris 7 - n° 30

Fluctuations : détection d'ondes?

Fluctuations de T (Sco)

Isolement d'un mode d'onde de gravité

1 seule courbe : paramètres observés

seulement

ONDE DE GRAVITEDETECTEE MAIS DE

PARAMETRESNON CONTRAINTS

ONDE DE PARAMETRES CONNUS MAIS

INCOMPATIBILITE AVEC DISSIPATION

3 courbes de lumière (HIP9369)

Détection d'une structure de train d'onde

Reconstitution 3D de l'onde

Page 31: Elisabeth Raynaud - Soutenance de thèse - 3 octobre 2003 - Observatoire de Paris - Université Paris 7 - n° 1Elisabeth Raynaud - Soutenance de thèse - 3

Elisabeth Raynaud - Soutenance de thèse - 3 octobre 2003 - Observatoire de Paris - Université Paris 7 - n° 31

Conclusions sur l ’étude par occultation stellaire

Détection de signatures d’ondes de gravité (gradients, spectres de puissance)

Utilisation de la Transformée Continue en Ondelettes pour l’analyse temps-fréquence : Mise en évidence de modes d’oscillations : 1 mode d’onde de gravité Intérêt d’une observation multi-sites : détermination des paramètres réels Corrélation de courbes de lumière : reconstruction 3D d’un mode d’onde

E. Raynaud, P. Drossart, K. Matcheva, B. Sicardy, et al. 2003. The 10 October 1999 HIP 9369 occultation by the northern polar region of Jupiter : ingress and egress lightcurves analysis, Icarus, 162, 344-362.

E. Raynaud, K. Matcheva, P. Drossart, F. Roques and B. Sicardy 2004. A re-analysis of the 1971 Beta Scorpii occultation by Jupiter : study of temperature fluctuations and detection of wave activity, Icarus, in press.

Page 32: Elisabeth Raynaud - Soutenance de thèse - 3 octobre 2003 - Observatoire de Paris - Université Paris 7 - n° 1Elisabeth Raynaud - Soutenance de thèse - 3

Elisabeth Raynaud - Soutenance de thèse - 3 octobre 2003 - Observatoire de Paris - Université Paris 7 - n° 32

Introduction sur la haute atmosphère de Jupiter

Occultations stellaires et ondes de gravité Principe d'une occultation stellaire Présentation des occultations étudiées Profils de température

Etude des fluctuations et caractérisation d'ondes

Spectro-imagerie et émission de H3+

Observations et réduction Cartes d'émission de H3

+

Ajustement à des spectres théoriques : modèles et méthode Résultats : cartes de température et de densité de colonne

Conclusions et perspectives

Page 33: Elisabeth Raynaud - Soutenance de thèse - 3 octobre 2003 - Observatoire de Paris - Université Paris 7 - n° 1Elisabeth Raynaud - Soutenance de thèse - 3

Elisabeth Raynaud - Soutenance de thèse - 3 octobre 2003 - Observatoire de Paris - Université Paris 7 - n° 33

Observations des régions polaires par FTS/BEAR

observations sur FTS/BEAR (CFHT) : 2 campagnes d’observations en 1999/2000 étude de l’émission de l’ion moléculaire H3

+ dans les régions polaires joviennes

14 cubes observés- 2 filtres étroits IR, centrés à 2.09 et 2.11 m (raies de rotation-vibration), =0.2 cm-1

- la résolution spatiale est limitée par le seeing : 0.4-0.6 secondes d’arc- longitudes variées pour les 2 hémisphères

4710 cm-1 4730 cm-1

Page 34: Elisabeth Raynaud - Soutenance de thèse - 3 octobre 2003 - Observatoire de Paris - Université Paris 7 - n° 1Elisabeth Raynaud - Soutenance de thèse - 3

Elisabeth Raynaud - Soutenance de thèse - 3 octobre 2003 - Observatoire de Paris - Université Paris 7 - n° 34

Des cubes d ’interférogrammes aux cubes spectraux..

Acquisition d’un cube = 60 min rotation > 35°

Correction de la rotation planétaire:

Pour chaque pixel {Xt=0,Yt=0} , je calcule {Xt,Yt} la position correspondante dans tous les plans, et je reforme l'interférogramme.

Page 35: Elisabeth Raynaud - Soutenance de thèse - 3 octobre 2003 - Observatoire de Paris - Université Paris 7 - n° 1Elisabeth Raynaud - Soutenance de thèse - 3

Elisabeth Raynaud - Soutenance de thèse - 3 octobre 2003 - Observatoire de Paris - Université Paris 7 - n° 35

Détection des raies

à 2 m , on trouve la bande harmonique 22 du mode de vibration de torsion 2

mais aussi la bande chaude 32 - 2 2 filtres : le filtre centré à 2,11 m est appelé "filtre H2”

le filtre centré à 2,09 m est appelé "filtre H3+”

P(3,1) R(10,9)

R(6,6)

Q(2,1) Q(3,1)

Filtre “H3+” :

22 32 - 2

Q(6,2)

P(4,1)

Q(5,2)P(7,6)

R(7,7)

P(5,2)Q(6,7)

Q(5,6)P(8,7) P(6,5)

H2 S1(1)

Filtre “H2” :

22 32 - 2

Page 36: Elisabeth Raynaud - Soutenance de thèse - 3 octobre 2003 - Observatoire de Paris - Université Paris 7 - n° 1Elisabeth Raynaud - Soutenance de thèse - 3

Elisabeth Raynaud - Soutenance de thèse - 3 octobre 2003 - Observatoire de Paris - Université Paris 7 - n° 36

Cartes d ’émission de H3+

4777 cm-14732 cm-1

Nord

Sud

émissions cohérentes avec celles de Satoh and Connerney (1999) l’émission est plus intense au Nord qu’au Sud on détecte une zone maximale d’émission, à ~170° III, dans les 2 filtres

émissions cohérentes avec celles de Satoh and Connerney (1999) l’émission est plus intense au Nord qu’au Sud on détecte une zone maximale d’émission, à ~170° III, dans les 2 filtres

Page 37: Elisabeth Raynaud - Soutenance de thèse - 3 octobre 2003 - Observatoire de Paris - Université Paris 7 - n° 1Elisabeth Raynaud - Soutenance de thèse - 3

Elisabeth Raynaud - Soutenance de thèse - 3 octobre 2003 - Observatoire de Paris - Université Paris 7 - n° 37

Cartes d ’émission de H3+ : comparaison avec H2

4732 cm-1

Nord

Sud

H2 4712 cm-1

l'émission de H2 est beaucoup plus répartie que celle de H3+

détection de l'émission de H2 dans l'hémisphère Sud

Page 38: Elisabeth Raynaud - Soutenance de thèse - 3 octobre 2003 - Observatoire de Paris - Université Paris 7 - n° 1Elisabeth Raynaud - Soutenance de thèse - 3

Elisabeth Raynaud - Soutenance de thèse - 3 octobre 2003 - Observatoire de Paris - Université Paris 7 - n° 38

Ajustement de spectres théoriques : modèle et méthode

Modèle :• émission optiquement mince et localisée : couche fine de température unique

L’intensité des raies est proportionnelle à la densité de colonne N(H3+), et s’écrit:

dégénérescence

rovibrationnelle

kT

EhcgAJ

TQ

HNI ififif

'exp )1'2(

)(4

)()( 3

nombre d'ondefonction

de partition

probabilité de transition

énergie du niveau

inférieur

Q(6,2)

P(4,1)

Q(5,2)P(7,6)

R(7,7)

P(5,2)Q(6,7)

Q(5,6)P(8,7) P(6,5)

H2 S1(1)

P(3,1) R(10,9)

R(6,6)

Q(2,1) Q(3,1)

kT

EhcgAJ

TQ

HNI ififif

'exp )1'2(

)(4

)()( 3

Page 39: Elisabeth Raynaud - Soutenance de thèse - 3 octobre 2003 - Observatoire de Paris - Université Paris 7 - n° 1Elisabeth Raynaud - Soutenance de thèse - 3

Elisabeth Raynaud - Soutenance de thèse - 3 octobre 2003 - Observatoire de Paris - Université Paris 7 - n° 39

pour les cubes H2, soustraction de la raie S1(1) de H2

ajustement aux moindres carrés (calcul d'un 2 ) aux spectres observésex cube Nord, filtre H2, moyenné sur la zone aurorale :

Ajustements: modèle et méthode (suite)

2-106,9

106,3

10

6070

cm104,8

K99010

10

N

T

2

3

2(T,N)

Anticorrélation forte entre N et T, inhérente à la physique (Lam et al. 1997)

Page 40: Elisabeth Raynaud - Soutenance de thèse - 3 octobre 2003 - Observatoire de Paris - Université Paris 7 - n° 1Elisabeth Raynaud - Soutenance de thèse - 3

Elisabeth Raynaud - Soutenance de thèse - 3 octobre 2003 - Observatoire de Paris - Université Paris 7 - n° 40

Les cubes Sud sont trop bruités seulement 8 résultats sur 14

Les températures sont plus élevées dans le filtre H3+ que dans le filtre H2

Cohérent avec les observations précédentes

Les barres d'erreur gênent l'étude des variations

Résultats : valeurs moyennes

Pour chaque cube, je moyenne les spectres de tous les pixels de la zone aurorale :

Page 41: Elisabeth Raynaud - Soutenance de thèse - 3 octobre 2003 - Observatoire de Paris - Université Paris 7 - n° 1Elisabeth Raynaud - Soutenance de thèse - 3

Elisabeth Raynaud - Soutenance de thèse - 3 octobre 2003 - Observatoire de Paris - Université Paris 7 - n° 41

Ajustements par zones

Résultats : méthode des zones d ’intensité

pour étudier les variations de T et de N, il ne faut pas moyenner!

découpage en zones dites “zones d’intensité”

Zone 1

Zone 2

Zone 3

Zone 4

Zone 5

résultats sur les variations sans dégrader trop le S/B détection d’un point chaud, correspondant à la zone d’intensité maximale

1 spectre

1 spectre

1 spectre

1 spectre

1 spectre

Page 42: Elisabeth Raynaud - Soutenance de thèse - 3 octobre 2003 - Observatoire de Paris - Université Paris 7 - n° 1Elisabeth Raynaud - Soutenance de thèse - 3

Elisabeth Raynaud - Soutenance de thèse - 3 octobre 2003 - Observatoire de Paris - Université Paris 7 - n° 42

Résultats : méthode des zones d ’intensité (suite)

les températures “H2” sont plus faibles que “H3+” mais grandes barres d’erreur

(~200 K) pour le filtre “H3+”

localisation du point chaud : 63-70°N, 150-170° III

Filtre "H2" , T

Filtre "H2" , N

Filtre "H3+" , T

Filtre "H3+" , N

Page 43: Elisabeth Raynaud - Soutenance de thèse - 3 octobre 2003 - Observatoire de Paris - Université Paris 7 - n° 1Elisabeth Raynaud - Soutenance de thèse - 3

Elisabeth Raynaud - Soutenance de thèse - 3 octobre 2003 - Observatoire de Paris - Université Paris 7 - n° 43

Résultats : cartes et essais de corrélations

Pour 2 cubes le S/B est suffisamment bon pour faire des ajustements des spectres de chaque pixel cartes de T et N corrélations possibles

Corrélations de rang : = -0.2 = 0.57P de non-corrélation : 0.006 10-30

2.7 22

corré

latio

n très

pro

bable

Page 44: Elisabeth Raynaud - Soutenance de thèse - 3 octobre 2003 - Observatoire de Paris - Université Paris 7 - n° 1Elisabeth Raynaud - Soutenance de thèse - 3

Elisabeth Raynaud - Soutenance de thèse - 3 octobre 2003 - Observatoire de Paris - Université Paris 7 - n° 44

Conclusions sur l ’étude de l ’émission de H3+

détection de deux raies de la bande chaude 32- 2, à 4722 et 4749 cm-1.

détection d’une zone d’émission maximale dans l’hémisphère Nord, située entre 63-70°N, 150-170°III. Cette zone est visible à d’autres longueurs d’onde (Caldwell et al. 1980, Drossart et al. 1986, Gladstone et al.

2002) et correspond à l’anomalie magnétique de Dessler et al. 1979.

par ajustement de spectres synthétiques, détermination de T et N(H3+) et

de leurs variations horizontales

la zone d'émission forte est une zone chaude (T~1200 K)

l’intensité des raies semble être plus corrélée à la densité de colonne qu'à la température en dehors de la zone chaude (Stallard et al. 2002)

Page 45: Elisabeth Raynaud - Soutenance de thèse - 3 octobre 2003 - Observatoire de Paris - Université Paris 7 - n° 1Elisabeth Raynaud - Soutenance de thèse - 3

Elisabeth Raynaud - Soutenance de thèse - 3 octobre 2003 - Observatoire de Paris - Université Paris 7 - n° 45

Introduction sur la haute atmosphère de Jupiter

Occultations stellaires et ondes de gravité Principe d'une occultation stellaire Présentation des occultations étudiées Profils de température

Etude des fluctuations et caractérisation d'ondes

Spectro-imagerie et émission de H3+

Observations et réduction Cartes d'émission de H3

+

Ajustement à des spectres théoriques : modèles et méthode Résultats : cartes de température et de densité de colonne

Conclusions et perspectives

Page 46: Elisabeth Raynaud - Soutenance de thèse - 3 octobre 2003 - Observatoire de Paris - Université Paris 7 - n° 1Elisabeth Raynaud - Soutenance de thèse - 3

Elisabeth Raynaud - Soutenance de thèse - 3 octobre 2003 - Observatoire de Paris - Université Paris 7 - n° 46

Conclusions et Perspectives

Occultations : les méthodes développées et utilisées dans ce travail sont

applicables à toute nouvelle occultation par une planète géante ou Titan.. ..mais aussi à des données existantes!

Données BEAR sur H3+ :

mesure des vents thermosphériques modèles thermosphériques (JTGCM)

résultats scientifiques sur la structure thermique de Jupiter et l’émission infrarouge de l’ion H3

+

développement de méthodes nouvelles et performantes pour l’analyse de données : utilisation de la CWT pour l’analyse de données planétaires

Conclusions :

Perspectives :