Un sondeur submillimétrique pour le Mars Trace Gas Orbiter 2016

1. Un sondeur submillimétrique pour le Mars Trace Gas Orbiter 2016 LMD, IPSL (F. Forget, équipe planétologie & bureau d’étude) LERMA(G. Beaudin, M. Gheudin, J.M. Krieg, A. Maestrini,) LESIA (T. Encrenaz, T. Fouchet, E. Lellouch, R. Moreno) LAB, Obs. De Bordeaux (F. Billebaud, P. Caïs, S. Gauffre) LATMOS(F. Lefevre, F. Montmessin) MPS Lindau, Allemagne (Paul Hartogh & submm team) + Collaboration en Suède ( Chalmers, Omnisys, SSC), UK (Oxford University) , USA, Japon, etc.

2. Plan • Contexte du projet • Objectifs scientifiques • Aspects techniques • Montage possible en France, Europe, monde.

3. Contexte du projet. • ESA/NASA Trace Orbiter 2016. Appel d’offre pour la charge utile : 15 avril 2010 Objectifs scientifiques: : • “ Survey and detection of trace gases” • “ Map selected gases (e.g., methane) and precursur species (e.g., H2O) over the globe and as a function of local time and season, preferably unaffected by aerosols” • “Map atmospheric state (e.g., temperature, aerosol concentration, clouds)” • “Validate models of atmospheric transport and inverse modeling for sources of trace gas” • “Characterize potential source regions”  Un sondeur submillimétrique est indispensable pour atteindre ces objectifs Le JIDT propose d’alouer 27kg/80 W (avg) / 800 mbits/day • Concept instrumental pour Mars essentiellement développé en France et en Europe • projet MAMBO (Mars Premier,  Phase B, PI; F. Forget) • MIME (Mars Express AO, PI: P. Hartogh), etc.

4. Limb z = 10 km Nadir Principe de la mesure Exemple (MAMBO) à 300 GHz. Alternative envisagée vers 500-600 GHz

5. Science objective 1) 3D mapping of the wind from 20 to 110 km (cross-track wind) Winds Doppler shift • Measurement of the Doppler shift on 13CO et CO • (10 m/s = 10 kHz) • First direct wind observations from orbit • Accuracy : ~10 m/s • This observations is crucial to study Mars Meteorology and climate because indirect estimation of the wind is difficult on Mars.

6. 2) 3D mapping of temperature (0-120km) Vertical resolution 13km Vertical resolution 10 km Vertical res 5 km • Inversion of CO and 13CO • Unprecedented sensitivity: • Insensitivity to aerosols • (affect IR below 40 km) • Thermal emission α T • Well known line shape • Local thermal equilibrium • (LTE) valid everywhere • (major problem in the IR above 70 km) Simulated inversion using CO at 345.8 GHz (Bordeaux Observatory - LMD)

7. Combining wind + temperature : Winds Température 4D circulation of the atmosphere between 0 and 120 km ! Data assimilation Meteorological model • Comparative meteorology • Tracer transport • Inverse modeling for sources of trace gas

8. 3) Search for minor trace gases • By scanning the entire spectral region • Requires long integration (e.g. addition of spectra) • Target molecules with rotational lines: HO2, NO, HCO2H , HCN, CH2O, SO, OCS • Symmetric molecules like CH4 have no significant lines usable on Mars.

9. 4) 3D mapping of water vapor (0-60km) • Inversion of H2O, HDO, H218O) • Insensitivity to aerosols • High accuracy and sensitivity • First water profiles in the troposphere • Water vapor + general circulation : • => Water cycle, sources, sinks Simulated inversion of H2O at 325.15 GHz (Obs de Bordeaux-LMD))

10. 4) 3D mapping of D/H ratio Cloud microphysic & Water cycle • Vertical, horizontal, Seasonal variations • Strong fractionnation at condensation level • (Bertaux and Montmessin, 2002, Fouchet and Lellouch 2001 Montmessin et al. 2005) • Detection of ground reservoir signature ? • (Fisher 2007) • Determination of a reference value for Mars Study of escape processes & volatile evolution

11. 5) 3D mapping of H2O2 • Key molecule • (H2, O2, CO regulation) • detected since 2004 • (Clancy et al. 2004, Encrenaz et al. 2004) • Surface oxydation => Exobiology • 6) 3D mapping of O3 • up to 70 km • simultaneously with H2O • 7) 3D mapping of CO => A complete view of Mars main photochemisrty

12. 8) Magnetic field (Option ??? ) • Detection of the «Zeeman» effect • in the O2 emission (424.76 MHz) • In practice : measurement of the • difference between vertical and horizontal • polarization between 30 et 60 km d’altitude • => Mapping of the crustal magnetic field ! • Résolution : ~50 km ? 200 km ? • Accuracy < 1 micro-Tesla ?

13. Design, masse, puissance, flux de données: Conversion for spacecraft to instrument voltage not included. Up to 20%. more • Data rates < 350 Mbits/day (descoped : 50 Mbits/day) • Masse, puissance, et flux de données sont nettement en dessous des limites suggérées par le JIDT (27kg/80 W/ 800 Mbits/day) •  possibilité de marges importantes pour faciliter le développement en temps limité.

14. Instrument Functional Diagram and subcomponents Spectrometers Receivers IF processor Antenna subsystem Electronics (power + data handling)

15. Montage possible et contribution Française • Maîtrise d’œuvre Française • Maîtrise d’œuvre Allemande avec forte contribution Française • Contribution au projet Américain

16. Scenario 1) Maîtrise d’œuvre Française • CST CNES maitre d’œuvre • mécanique, thermique, intégration, tests • Expérience: Montage inspiré par le sondeur submm Saphir (satellite Megha tropique) : discussion avec l’équipe CNES Saphir très positive) • Composante instrumentale clé fournie par les laboratoires: • Antenne, charge de calibration : LMD + CNES (Expérience : Saphir) • Recepteurs: LERMA (Expérience : MIRO/Rosetta + Heschell HIFI) • Processeur FI : LAB (Bordeaux) (Expérience: Herschell HIFI) • Spectromètre : MPS ou Omnisys (suede) • Electronique : CNES ? • Eléments pour estimer le coût : • Saphir : coût total estimé à ~8 Meuros, en incluant les ressources humaines CNES, et avec front–end fourni par ASTRIUM • Elément majeur du budget: front-end. Réalisation LERMA ~2-3 Meuros. • Possibilité de partenariat étranger : contact pris avec Rutherford lab (Oxford), JAXA (Japon) Saphir

17. Scenario 2: Maitrise d’œuvre allemande • Montage initialement envisagé, mais le DLR n’a pas confirmé sa participation à la charge utile du Trace Gas Orbiter 2016 (attente, comme pour le CNES; rumeur de décision imminente avec budget > 0…) • Composante instrumentale clé fournie par les laboratoires Français: • Recepteurs: LERMA (Expérience : MIRO/Rosetta + HIFI/ Herschel) • Processeur FI : LAB (Bordeaux) (Expérience: HIFI/ Herschel) • Antenne, charge de calibration : LMD (Expérience : Saphir …) • Co-PI ship envisageable si participation Française suffisante • Coût total envisageable : ~3 – 5 Meuros. • Max Planck Institute for Solar System Research maitre d’œuvre: • mécanique, thermique, intégration, tests, spectromètres • Expérience: Herschel, MIRO, projet Mars MIME, SWI, etc… SWI

18. Scenario 3: Contribution au projet américain « SOAR » • PI : Mark Allen (JPL) • Instrument basé sur un concept déjà développé (mission Scout MARVEL) : • 1 canal • 1 seule raie observée simultanément • « frequency hopping » pour changer de raie. Problème de calibration ? • Participation en cours de définition • Amélioration possible ?

19. Montage possible et contribution Française • Maîtrise d’œuvre Française • Maîtrise d’œuvre Allemande avec forte contribution Française • Contribution au projet Américain • Fourniture de l’antenne principale (LMD) ? • Fourniture de l’USO, frequency synthesizer (LERMA) ? • Forte participation scientifique (inversion, GCM :assimilation, retro-trajectoire).