Prédiction du comportement de WISDOM sur le site d’Oxia Planum

Au cours de son stage, Yann (Hervé, 2015) a pu modéliser l’un des sites d’atterrissages sélectionnés pour la mission ExoMars 2018 à l’aide du logiciel TEMSI-FD. Il s’agit d’Oxia Planum, site proposé par

l’équipe de Cathy Quantin Nataf du Laboratoire de Géologie de Lyon, qui nous a fourni une coupe stratigraphique des dix premiers mètres du sous-sol effectuée grâce aux clichés de l’instrument HIRISE sur les bords de cratères dans cette région. Les propriétés des différentes couches en entrée du modèle ont été déduites des travaux sur des analogues martiens et en tenant compte de la loi proposée par Binder et Lange (1980) pour la Lune, qui considère que la porosité est le facteur déterminant dans la valeur de la permittivité. En conséquence, une augmentation de la constante diélectrique avec la profondeur (avec le degré de compaction) selon une exponentielle décroissante est prise en compte :

( ) = (5.4)

Où est la permittivité en surface, une constante positive et la profondeur. Pour différentes valeurs de , donc des contrastes de permittivité plus ou moins importants, des simulations sous TEMSI-FD ont été effectuées en considérant un milieu composé de 5 couches (homogènes dans un premier temps) à faibles pertes (σ’=10-4_{), sur une profondeur totale de 5 m (Figure 4.3-6).}

Figure 4.3-6 : Modélisation du site d'Oxia Planum et amplitude reçue pour chaque interface pour différentes valeurs de a (Hervé, 2015)

Comme attendu, plus les contrastes entre les différentes couches sont importants, plus les amplitudes des échos correspondant aux interfaces sont élevées. Dans le cas de faibles pertes, les amplitudes se situent entre -60 dB et -25 dB par rapport à l’écho de sol : ce type de milieu est donc tout à fait détectable par WISDOM, puisque sa dynamique de 80dB lui permet de discriminer ces différents échos du plancher de bruit. Lorsqu’on ajoute des hétérogénéités, de la rugosité ou des pertes importantes en revanche, les performances diminuent grandement : si l’on augmente la conductivité pour atteindre un ordre de σ’=10- 2_{, pour des valeurs de < 0.1, seule la première interface est détectable par l’instrument. Une simulation} d’Oxia Planum dans un cas réaliste (présentant tous ces effets de terrain) est présentée Figure 4.3-7, avec les paramètres en entrée de la boîte de calcul (Tableau 4.3-1). Ces travaux ont fait l’objet d’une communication orale lors de l’EPSC 2015 (Ciarletti et al., 2015).

Tableau 4.3-1 : Paramètres en entrée du volume de calcul pour Oxia Planum

Figure 4.3-7 : Exemple de radargramme simulé pour le site d'Oxia Planum Contrastes de permittivité a=0.2 m-1 Hétérogénéités sur la permittivité ∆ε=20% Pertes σ'= 10-3 Rugosité à chaque interface σh = 2 cm lcorr= 9 cm

Ces simulations démontrent la capacité de WISDOM à détecter des strates en conditions que l’on peut qualifier de défavorables à la bonne pénétration des ondes. Les valeurs d’atténuation prédites pour Mars sont cependant très variables et il est possible que le site d’Oxia se trouve dans une zone où les pertes sont importantes, notamment au niveau des signatures de minéraux hydratés qui ont pu y être détectées. Dans ce cas, la limite de détection de l’instrument en termes de profondeur s’en trouverait grandement diminuée.

Conclusion

Les deux méthodes de modélisation que nous avons sélectionnées sont complémentaires et offrent un grand nombre de possibilités, tant pour l’aide au dimensionnement de l’instrument WISDOM que pour la prédiction de ses performances en interaction avec des environnements divers. Elles offrent également une aide précieuse pour l’interprétation des données. Le premier code de simulation, basé sur la méthode du lancer de rayon a été entièrement développé dans le cadre de cette thèse. Il offre la possibilité d’obtenir rapidement des radargrammes simulés comparables aux données de WISDOM pour une aide qualitative à l’interprétation comme le démontre l’expérience conduite en chambre froide. Le deuxième modèle, TEMSI-FD, basé sur la méthode des différences finies, nous a été fourni par le XLIM. Il permet de simuler l’instrument en interaction avec des milieux plus complexes. Il est ainsi possible d’inclure des hétérogénéités diélectriques (granulosité ou gradient sur la permittivité, la conductivité) ou géométriques (rugosité des interfaces, objets enfouis) d’amplitudes et de tailles variables au sein de l’environnement. Nous avons notamment pu, grâce à ce modèle, estimer les performances de WISDOM dans un contexte de détection de structures biogéniques et sur le site d’Oxia Planum, puisque c’est ce dernier qui a finalement été sélectionné pour devenir le site d’atterrissage de la mission ExoMars 2018. Enfin, nous avons estimé la limite de restitution correcte de la rugosité par l’instrument en fonction de des paramètres de longueur de corrélation et d’écart-type des hauteurs de la surface rugueuse simulée. Les résultats de cette série de simulations montrent que WISDOM est capable de retrouver les bons paramètres sur une gamme de rugosités plus étendue que les prédictions faites via le critère de Rayleigh. Lorsque la diffusion est trop importante, l’étalement de l’écho de surface induit d’une part une erreur, parfois très importante sur les estimations des distributions de hauteur et d’autre part une diminution de l’amplitude moyenne de l’écho de sol. Ceci aura un impact non négligeable sur la viabilité de notre méthode d’estimation de la constante diélectrique en surface, que nous allons présenter dans le chapitre qui suit. Une perspective intéressante pour poursuivre ce travail serait de conduire des simulations de profils selon des grilles dans la configuration de WISDOM sur une gamme de surfaces rugueuses pour tenter de restituer une surface apparente en 3 dimensions.

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Chapitre 5 : Les méthodes d’estimation

des propriétés diélectriques du sous-sol

Sommaire :

Introduction

5.1 Les méthodes d’estimation des propriétés du sous-sol à partir des données de WISDOM 142