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Thème de recherche

Géosciences et planétologie

La calotte saisonnière sud de Mars

Les clathrates et le méthane dans l’histoire de Mars

Les écoulements sur Mars

Evolution des topographies terrestres et planétaires

Les archives climatiques

Hydrogéologie

Les exoplanètes et l’habitabilité

Méthodologie

Imagerie hyperspectrale

Imagerie spectro-photométrique

Spectroscopie


La calotte saisonnière sud de Mars

La calotte saisonnière sud (SSPC) de Mars présente des particularités intéressantes, mises à jour en partie par mes analyses des données hyperspectrales de l’instrument OMEGA. La SSPC est composée majoritairement de glace de CO2 et recouvre la surface durant l’hiver polaire jusqu’à 40°S. J’ai pu montrer que la vitesse de retrait est contrôlée majoritairement par l’albédo. La région la plus sombre, dite “ région cryptique ”, comporte de nombreuses tâches sombres à l’échelle de quelques mètres qui influent sur la dynamique globale. Des études géomorphologiques suggèrent que plusieurs phénomènes dynamiques ont lieu (les geysers, les spiders et les écoulements sombres) et aujourd’hui plusieurs modèles physiques ont été proposés. Cependant, le manque de contraintes observationelles ne permet pas d’identifier les processus à l’oeuvre sur Mars. Mes travaux les plus récents consistent à établir un maximum d’informations quantitatives (spectroscopique, géomorphologique, ...) afin d’établir l’origine de ces phénomènes. En particulier, la détection de traces de glace d’eau dans ces régions doit être prise en compte. Ces travaux ont pour perspectives une meilleure compréhension des échanges de volatiles sur Mars actuellement et dans le passé.

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Publications scientifiques :

• Schmidt F., Douté S., Schmitt B., Vincendon, M., Langevin, Y., Bibring J.-P. and the OMEGA Team ; “Albedo control of the Seasonal South Polar Cap recession” ; Icarus, 2009, 200, 374-394

• Schmidt F., Schmitt B., Douté S., Forget, F., Jeng, J.-J., Martin, P., Langevin, Y., Bibring J.-P. and the OMEGA Team ; “Sublimation of the Martian CO2 seasonal south Polar Cap”, Planetary and Space Science, 2010, 58, 1129- 1138

• Kereszturi A., Vincendon M., Schmidt F., “ Water ice in the dark dune spots of Richardson crater on Mars ”, Planetary and Space Science, 2011, 59, 26-42

• Jouannic, G., Gargani, J., Costard, F., Ori, G. G., Marmo, C., Schmidt, F. & Lucas, A. (2012), “ Morphological and mechanical characterization of gullies in a periglacial environment : The case of the Russell crater dune (Mars) ”, Planetary and Space Science, 71, 38-54

• Andrieu, F., Douté S., Schmidt, F., & Schmitt, B. (2015) “ Radiative transfer model for contaminated rough slabs ”, Applied Optics, 54, 9228

• Andrieu, F. ; Schmidt, F. ; Schmitt, B. ; Douté, S. & Brissaud, O. Retrieving the characteristics of slab ice covering snow by remote sensing, The Cryosphere, 2016, 10, 2113-2128


Les clathrates et le méthane dans l’histoire de Mars

Les clathrates hydrates sont une forme chimique exotique sur Terre, de glace d’eau sous forme de cage qui peut emprisonner une ou plusieurs molécules de gaz. Les physiciens et thermodynamiciens ont établi des modèles de plus en plus précis de ces structures dont les implications ont été peu discutées en Planétologie. Plus précisément, les conditions de l’atmosphère primordiale de Mars au Noachien, dans les conditions probable de stabilité, et la présence de H2O, CO2 et SO2 ont pu permettre la formation de clathrate mixte de CO2 et S2. Comme le SO2 est plus stable que le CO2 dans les cages, une accumulation puis un relargage massif de SO2 a pu se faire à la transition Noachien-Hespérien, en accord avec les épaisses couches de sulfates. Plusieurs données ont montré la présence de méthane actuellement sur Mars avec une évolution saisonnière. Si la serpentinisation est le processus le plus probable, pour la production de méthane, le relargage sporadique reste inexpliqué. Des phases solides avec forts pouvoirs de piégeage de gaz comme les clathrates ou les zéolites pourrait être impliqué. L’enjeu de ce programme de recherche est de comprendre l’histoire des volatiles Martiens en prenant en compte toutes les informations disponibles (thermodynamique, physique, géomorphologique).

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Publications scientifiques :

• Mousis, O., Chassefière, E., Lasue, J., Chevrier, V., Elwood Madden, M., Lakhlifi, A., Lunine, J., Montmessin, F., Picaud, S., Schmidt, F. & Swindle, T. D. (2013), « Volatile Trapping in Martian Clathrates », Space Science Reviews, 174, 213-250

• Chassefière, E., Dartois, E., Herri, J.-M., Tian, F., Schmidt, F., Mousis, O. & Lakhlifi, A. (2013), « CO2- SO2 clathrate hydrate formation on early Mars », Icarus, 223, 878-891

• Schmidt, F. , Chassefière, E., Tian, F., Dartois, E., Herri, J.-M., and Mousis, O., (2016) « Early Mars volcanic sulfur storage in the cryosphere and formation of transient SO2-rich atmospheres during the Hesperian », Meteoritics & Planetary Sciences, 51, 2226-2233

• Mousis, O. ; Simon, J.-M. ; Bellat, J.-P. ; Schmidt, F. ; Bouley, S. ; Chassefière, E. ; Sautter, V. ; Quesnel, Y. ; Picaud, S. & Lectez, S.. (2016), « Martian zeolites as a source of atmospheric methane », Icarus, Elsevier BV, 278, 1-6


Les écoulements sur Mars

Dans le lointain passé, Mars a très probablement été favorable à la vie car il existe des traces de rivières anciennes, vraisemblablement créé par de l’eau liquide. Depuis l’observation des activités des RSL (Recurring Slope Linae), une partie significative de la communauté scientifique a considérée l’eau liquide comme une explication plausible actuellement. L’argument principal pour la présence d’eau liquide reposait sur le fait que les RSL soient actifs aujourd’hui dans les endroits les plus chauds de Mars, c’est à dire les conditions les plus proches du point triple de l’eau. De plus, des signatures spectroscopiques ont été reportées. Cependant, il ne s’agissait que de preuves indirectes (détection des sels mais pas d’eau liquide). En outre, des études récentes ont démontrées que ni les sources d’eau internes, ni les sources d’eau atmosphériques n’étaient réalistes. D’autre part, il n’y a aucune signature d’eau dans les mesures thermiques. L’origine de ces écoulements restait alors mystérieuse. J’ai proposé un nouveau mécanisme basé sur la pompe de Knudsen qui ne requiert pas d’eau liquide. Ce mécanisme est seulement actif dans les endroits les plus chauds de Mars. A cause des variations de température dans le sol, le gaz contenu dans les pores s’écoule. Durant les quelques minutes après l’apparition de l’ombre d’un rocher, l’écoulement de gaz est suffisamment rapide pour qu’il puisse déstabiliser le matériau granulaire et créer un écoulement. Ce processus a été modélisé numériquement et l’activité prédite est compatible avec les activités des RSL observées. Considérant que les RSL étaient les principales figures proposées pour justifier la présence d’eau liquide aujourd’hui sur Mars, ce nouveau processus de pompe naturelle semble écarter cette hypothèse. Ces nouveaux résultats ont un impact évident sur la possibilité de trouver de la vie actuellement sur la Planète Rouge, mais dresse aussi le portrait d’une planète inhospitalière pour l’exploration humaine.

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Publications scientifiques :

• Schmidt, F., Andrieu, F., Costard, F., Kocifaj, M. & Meresescu, A. (2017), « Formation of recurring slope lineae on Mars by rarefied gas-triggered granular flows », Nature Geoscience (published online)


Evolution des topographies terrestres et planétaires

La topographie des surfaces planétaires enregistrent l’équilibre dynamique de plusieurs processus. En décrivant en détail la topographie, je souhaite quantifier les processus la gouvernant. Les analyses multi-échelles ont montré la présence de symétrie d’échelle fractale des surfaces planétaires. Cependant depuis les année 1990, plusieurs étude ont donné des géométries fractales différentes et incohérentes. Plus récemment, la théorie multi-fractale permet de rendre compte de l’intermittence (surface lisse et rugueuse) tout en préservant la symétrie d’échelle. Nous avons pu montrer que la surface de Mars comportait une symétrie multi-fractale aux échelles plus grande que 10 km mais simplement fractale pour des échelles plus petite que 10 km. Des analyses plus appronfondies permettront de déchiffrer les processes à l’origine de ces différences (érosion, tectonique, bombardement météorique, ...). Une application sur des sites terrestres bien documentés est en cours, notamment à Taïwan.

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Publications scientifiques :

• Landais, F., F. Schmidt, and S. Lovejoy (2015), « Universal multifractal Martian topography », Nonlinear Processes in Geophysics, 22, 713-722


Les archives climatiques

Les changements climatiques actuels, en partie du à l’augmentation des gaz à effet de serre d’origine anthropique, bouleversent le développement des activités humaines. Dans le passé, ces changements climatiques ont provoqué des conséquences sur la biosphère mais aussi sur l’érosion des reliefs. Pour mieux les comprendre et les anticiper, j’étudie les enregistrements climatiques et notamment les sédiments marins. Ceux-ci peuvent provenir de minéraux primaires de zones montagneuses ou de sols matures ayant subi une altération chimique plus importante. Mon objectif est de déchiffrer ces archives climatiques en améliorant la quantification des différentes sources.

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Publications scientifiques :

• Joussain, R. ; Colin, C. ; Liu, Z. ; Meynadier, L. ; Fournier, L. ; Fauquembergue, K. ; Zaragosi, S. ; Schmidt, F. ; Rojas, V. & Bassinot, F. Climatic control of sediment transport from the Himalayas to the proximal NE Bengal Fan during the last glacial-interglacial cycle, Quaternary Science Reviews, 2016, 148, 1-16

• Zhao, Y., Colin C., Liu Z., Schmidt, F., Siani G., Bonneau L., and Revel M.. « The Quaternary history of riverine and eolian sediment inputs to the Nile deep-sea fan », Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology, 2017, under review


Hydrogéologie

La maîtrise de la ressource en eau est un des enjeux majeurs du XXIeme siècle. Lorsqu’un épisode pluvieux s’abat sur un massif montagneux, une partie de l’eau s’écoule en surface, une partie pénètre dans le sol et une partie s’infiltre pour recharger les aquifères. La propagation entre la pluie météorique et l’arrivée dans la nappe est cruciale pour comprendre les échanges, aussi bien du point de vue de la ressource en eau, que de la minéralisation. J’étudie l’aspect temporel de la propagation des eaux en utilisant des méthodes de déconvolution non invasives.

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Publications scientifiques :

• Meresescu A., et al., « River catchment estimation », en preparation


Les exoplanètes et l’habitabilité

La découverte d’exoplanète a profondément changé notre place de l’univers. Grâce aux développements technologiques, il est possible d’avoir des informations sur ces mondes lointains grâce à spectroscopie. Une des grandes questions majeures concerne l’habitabilité de ces planètes. Dans ce cadre, les géologues doivent participer à ce débat. Pour affirmer qu’une exoplanète abrite une forme de vie similaire à la Terre, plusieurs critères peuvent être proposés, comme la présence de méthane et de O2 sur la même planète. Il faut tout même faire très attention à ne pas confondre une exolune, ayant atmosphère de méthane, orbitant autour d’une planète comportant du méthane. J’ai proposé une méthode qui permet d’éliminer les candidats des faux positifs.

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Publications scientifiques :

• Cui W., Schmidt F., Tian F., Cui D., Li T., Huang X. , « On Biosignature Detection and Surface Characterization of Nearby Rocky Exoplanets », PNAS, soumis, 2017


Imagerie hyperspectrale

L’imagerie hyperspectrale est une technique qui permet d’enregistrer le flux lumineux en fonction de la longueur d’onde et de l’espace. Au delà des problématiques techniques de réalisation et de calibration de tels instruments à bord de sondes spatiales d’exploration, ce type de donnée pose des problèmes de traitement numérique de l’information. Au cours de mes recherches, j’ai développé différents outils pour la détection automatique de composés chimiques dans les images hyperspectrales.

Il s’agit de WAVANGLET, une méthode basée sur la transformée rapide en ondelette de Daubechies qui permet une détection des glaces d’eau et de CO_2 à la surface de Mars, de façon indépendante de la géométrie d’observation. Cette méthode a permis la détection de glace sur l’ensemble des données OMEGA, représentant 1000 images de 100 000 spectres chacunes.

D’autre part, le programme BPSS (pour “ Bayesian Prior Source Separation ”), est une méthode de séparation de source en aveugle, basée sur la théorie bayésienne et résolue grâce à un algorithme Monte Carlo. Grâce à un prétraitement des données, la version initiale de BPSS a montré que ce type d’approche permettait de détecter automatiquement et de manière non-supervisée (sans spectre de référence), les glaces sur Mars, confirmant ainsi leur présence. Cependant, cette version initiale de BPSS ne permettait pas une application à l’ensemble d’un cube hyperspectrale. Grâce à une optimisation de l’implémentation, nous avons pu réduire le temps de calcul pour permettre l’application sur une image en un temps plus court (de quelques jours à quelques heures) mais toujours trop long actuellement pour l’application sur un jeux de données complet. Ce type de méthode a été aussi validé sur des données planétaires grâce à des mesures indépendantes.

Enfin, la méthode LinMin, est une méthode rapide, implémentée sur GPU (Graphic Processing Unit), qui permet la détection robuste de minéraux avec un temps calcul de l’ordre de la minute pour une image hyperspectrale et très prometteuse pour l’analyse des vastes jeux de données.

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Publications scientifiques :

• Schmidt F. ; Douté S. and Schmitt B., “WAVANGLET : an efficient supervised classifier for hyperspectral images” ; IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 2007, 45, 1374-1385

• Moussaoui, S. ; Hauksdóttir, H. ; Schmidt, F. ; Jutten, C. ; Chanussot, J. ; Brie, D. ; Douté, S. & Benediktsson, J., “On the Decomposition of Mars Hyperspectral data by ICA and Bayesian positive source separation” ; Neurocomputing, Neurocomputing for Vision Research ; Advances in Blind Signal Processing, 2008, 71, 2194-2208

• Schmidt, F. ; Schmidt, A. ; Tréguier, E. ; Guiheneuf, M. and Moussaoui, S. & Dobigeon, N., Implementation strategies for hyperspectral unmixing using Bayesian source separation, IEEE Transaction on Geoscience and Remote Sensing, 2010, 48, 4003-4013

• Ceamanos, X. ; Douté ;, S. ; Luo, B. ; Schmidt, F. ; Jouannic, G. & Chanussot, J., Intercomparison and Validation of Techniques for Spectral Unmixing of Hyperspectral Images : A Planetary Case Study, IEEE Transaction on Geoscience and Remote Sensing, 2011, 1-18

• Themelis, K. E. ; Schmidt, F. ; Sykioti, O. ; Rontogiannis, A. A. ; Koutroumbas, K. D. & Daglis, I. A., On the unmixing of MEx/OMEGA hyperspectral data, Planetary and Space Science, 2012

• Schmidt, F., Legendre, M. & Le Mouëlic, S. (2014), « Minerals detection for hyperspectral images using adapted linear unmixing : LinMin », Icarus, 237, 61-74


Imagerie spectro-photométrique

L’imagerie spectro-photométrique ajoute une dimension supplémentaire à l’imagerie hyperspectrale décrite précédemment : la géométrie. Chaque pixel au sol est observé à la fois à différentes longueurs d’onde mais aussi à différentes géométries (angle d’émergence), échantillonnant ainsi la réflectance bidirectionnelle (BRDF). Nous avons développé un outil qui permet d’estimer les propriétés des surfaces granulaires (rugosité, albédo et forme des grains) à partir des BRDF. Pour la première fois, nous avons un outil qui permet d’une part de s’affranchir des aérosols atmosphériques mais aussi de réaliser une inversion bayésienne de manière rapide. Nous avons validé cet outil grâce à une comparaison avec les données des rovers Martiens in situ. Cet outil novateur offre la perspective d’une meilleure caractérisation des différentes unités géologiques Martiennes (contextes volcanique et sédimentaire).

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Publications scientifiques :

• Ceamanos, X., Doute, S., Fernando, J., Schmidt, F., Pinet, P. & Lyapustin, A. (2013), « Surface reflectance of Mars observed by CRISM/MRO : 1. Multi-angle Approach for Retrieval of Surface Reflectance from CRISM Observations (MARS-ReCO) », Journal of Geophysical Research, 118, 1-20

• Fernando, J., Schmidt, F., Ceamanos, X., Pinet, P., Douté, S. & Daydou, Y. (2013), « Surface reflectance of Mars observed by CRISM/MRO : 2. Estimation of surface photometric properties in Gusev Crater and Meridiani Planum », Journal of Geophysical Research, 118, 1-26.

• Fernando, J., Schmidt, F., Pilorget, C., Pinet, P., Ceamanos, X., Douté, S., Daydou, Y. & Costard, F. (2015), « Characterization and mapping of surface physical properties of Mars from CRISM multi-angular data : Application to Gusev Crater and Meridiani Planum », Icarus , 253, 271 - 295

• Schmidt, F. & Fernando, J. (2015), « Realistic uncertainties on Hapke model parameters from photometric measurement », Icarus , 260, 73 - 93

• Pilorget, C., Fernando, J., Ehlmann, B., Schmidt, F. & Hiroi, T. (2016), « Wavelength dependence of scattering properties in the VIS-NIR and links with grain-scale physical and compositional properties », Icarus, 267, 296-314

• Schmidt, F. & Bourguignon, S. (2017), « Efficiency of BRDF sampling and bias on the average photometric behavior », Icarus , in revision


Spectroscopie

Les données à haute résolution spectrales de Mars de l’instrument PFS (Planetary Fourier Spectrometer) ont permis de déterminer la structure thermique de l’atmosphère de Mars, mais aussi de déterminer les composés minoritaires, dont la détection de méthane qui est toujours controversé. Malheureusement, les données de PFS sont sujettes à un bruit structuré du aux microvibrations de la plateforme Mars Express. L’objectif de ce traitement est de déconvoluer les spectres de manière aveugle (sans supposer un spectre de Mars, ni une forme de “ bruit ”), afin de corriger ces artefacts pour analyser plus finement la surface et l’atmosphère de Mars. D’un point de vue méthodologique, la déconvolution en aveugle est un problème difficile que nous souhaitons attaquer en ajouter un maximum d’a priori mathématique (positivité, parcimonie, redondance, ...).

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Publications scientifiques :

• Shatalina, I., Schmidt, F., Saggin, B., Gac, N., Kowalski, M. & Giuranna, M. (2013), « Analytical model and spectral correction of vibration effects on Fourier transform spectrometer », Society of Photo-Optical Instrumentation Engineers (SPIE) Conference Series, , 8890

• Schmidt, F., Shatalina, I., Kowalski, M., Gac, N., Saggin, B. & Giuranna, M. (2014), « Toward a numerical deshaker for PFS », Planetary and Space Science, 91, 45-51





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