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Jupiter's icy moons are of great interest in the search for habitability in our Solar System. They probably all harbor liquid water ocean underneath their icy crust. Their surfaces present different stages of evolution – Callisto is heavily cratered and the oldest, Ganymede shows a combination of dark cratered terrain and younger bright plains and Europa’s surface is the youngest with signs of recent and maybe current activity. This work focuses on photometry, i.e. the study of the light scattered by a surface in relation to the illumination and observation geometry. Photometric studies give us insight on the physical state and microtexture of the surface (compaction, internal structure, shape, roughness, transparency…). A good photometric knowledge is also of crucial importance in the correction of datasets for any mapping or spectroscopic study as well as for the future missions of this decade – NASA’s Europa Clipper and ESA’s JUpiter ICy moons Explorer.Two pieces of information are necessary to conduct a photometric study – reflectance data and geometric information (illumination, viewing conditions). For the former, we have used and calibrated images from past space missions – Voyager, New Horizons and Galileo. For the latter, we have developed tools to correct these images metadata (e.g. spacecraft position and orientation) to derive precise geometric information. Moreover, we have developed a Bayesian inversion tool to estimate Hapke’s photometric parameters on regions of Europa, Ganymede and Callisto. We estimate all parameters on our entire dataset at once. Finally, we discuss the possible links between the photometric parameters, the surface microtexture and endogenic/exogenic processes.; Les satellites glacés de Jupiter sont d'un grand intérêt scientifique dans la recherche d'habitabilité au sein de notre système solaire. Elles abritent probablement toutes trois des océans d'eau liquide sous leur croûte glacée. Leurs surfaces présentent différents stades d’évolution – celle de Callisto est très ancienne et entièrement recouverte de cratères, celle de Ganymede est un mélange de terrains sombres et cratérisés et de plaines claires et plus jeunes et la surface d’Europa est la plus jeune et présente des signes d’activité récente. Cette thèse porte sur la photométrie, c’est à dire l’étude de l’énergie lumineuse réfléchie par une surface, en fonction des géométries d’éclairement et d’observation. Les études photométriques permettent de déterminer l’état physique et la microtexture des surfaces (porosité, structure interne, forme des grains, rugosité, transparence…). Une bonne connaissance photométrique est également d'une importance cruciale dans la correction des jeux de données pour toute étude cartographique ou spectroscopique ainsi que pour les futures missions de cette décennie : Europa Clipper de la NASA et JUpiter ICy Moons Explorer de l’ESA.Deux types d’information sont nécessaires pour réaliser une étude photométrique : des données de réflectance et des données géométriques (conditions d’illumination et d'observation). Pour obtenir les premières, nous avons utilisé et calibré des images de missions spatiales passées - Voyager, New Horizons et Galileo. Pour obtenir les secondes, nous avons développé des outils permettant de corriger les métadonnées de ces images (ex : la position et l'orientation des sondes) afin d’obtenir des informations géométriques précises. Nous avons, d’autre part, développé un outil d’inversion pour estimer les paramètres photométriques de Hapke sur des régions d’Europa, Ganymede et Callisto sur l’ensemble du jeu de données en un seul calcul. Enfin, nous discutons des liens possibles entre les paramètres photométriques estimés, la microtexture de la surface et les processus endogènes/exogènes mis en jeu.

Imaging spectrometer, Imaging spectro-photometer and high resolution spectrometer constitute the last generation of space instruments that strongly modified the study of planetary bodies. Such instruments allow us to follow the soil and atmospheric optical properties through space and time. The first objective of this Habilitation thesis is to propose some tools to analyze a huge amount of data in planetological perspectives. Three types of methods are introduced to examine the hyperspectral data acquired by OMEGA (Mars Express/ESA) and CRISM (Mars Reconnaissance Orbiter/NASA) instruments : (i) WAVANGLET, a fast detection algorithm based on wavelets to identify the presence of chemical species at the ground, (ii) BPSS, a blind source separation method that is able to detect chemical species without a priori, (iii) supervised unmixing algorithm using LinMin strategy. Also atmospheric correction methods, coupled to Bayesian inversion of photometric model, allow us to deal with the full CRISM photometric dataset. Finally, a method of micro-vibrations correction has been proposed in order to improve the quality of the PFS instrument (Mars Express/ESA) using semi-blind deconvolution.The Martian annual cycle of CO2 consists of an exchange between surface and atmosphere, which is particularly relevant in polar regions. During the polar night, atmospherical CO2 condensates at the ground, whereas it starts to sublimate again during the spring, when the solar light bring energy to the surface. This major climatic cycle has been identified in the 1960th but even today, the microphysic of interaction between surface and atmosphere is still unknown. Recent images at high spatial resolution (50 cm) from HiRISE (Mars Reconnaissance Orbiter/NASA) instrument show many active processes associated to sublimation. The second objective of this thesis is to build a model of the seasonal deposits sublimation, by simulating the mass balance but also by geomorphological and spectroscopic studies. Results show that the seasonal south polar cap sublimation is mainly controlled by its albedo. Further studies must determine the exact mechanisms in the origin of this albedo variability.The third objective of this thesis is to discuss the possibility of clathrate hydrate in the climatic history of Mars. A scenario, implying formation of clathrate hydrate of S and CO2 is examined in comparison with geomorphological clues of the Martian surface., L’étude de Mars a été profondément modifiée par les dernières générations d’instruments spatiaux : les spectro-imageurs, les spectro-imageurs-photomètres et les spectroscopes à haute résolution spectrale. Ils permettent un suivi spatial et temporel des propriétés optiques des sols et de l’atmosphère. Le premier objectif de cette thèse d’Habilitation à Diriger des Recherches est méthodologique et consiste à proposer des outils permettant de traiter la grande quantité de données afin d’aborder des probléma- tiques planétologiques. Plusieurs types d’outils d’analyse des images hyperspectrales, notamment celles produites par les instruments OMEGA (Mars Express/ESA) et CRISM (Mars Reconnaissance Orbiter/NASA), ont été proposés : (i) WAVANGLET, une méthode rapide de détection des corps chimiques au sol basée sur la transformée en ondelette, (ii) BPSS, une méthode de séparation de source en aveugle qui détecte des corps chimiques sans a priori, (iii) des méthodes de dé-mélanges linéaires supervisées rapides utilisant la stratégie LinMin. Aussi des outils de correction atmosphérique couplés à des mé- thodes d’inversion bayésienne de modèle photométrique de surface ont été développés pour l’instrument CRISM. Enfin, une méthode de correction des effets de vibrations par déconvolution semi-aveugle a été développée pour PFS (Mars Express/ESA).Les régions polaires de Mars sont le siège d’un cycle climatique annuel d’échange de CO2 entre atmosphère et surface. Pendant la nuit polaire, le CO2 atmosphérique se condense au sol, tandis qu’il se sublime à nouveau, dès les premiers rayons du soleil. Ce cycle a été mis à jour depuis les années 1960 mais aujourd’hui encore, la microphysique d’interaction surface/atmosphère demeure inconnue. Des observations d’imagerie à haute résolution spatiale (50 cm) par HiRISE (Mars Reconnaissance Orbiter/NASA) ont montré une multitude de phénomènes actifs associés à la sublimation. Le second objectif de cette thèse est d’établir un modèle de sublimation des dépôts saisonniers, à la fois par simulation du bilan de masse mais aussi par étude géomorphologique et spectroscopique. Les résultats montrent que la sublimation de la calotte saisonnière sud de Mars est contrôlée majoritairement par son albédo mais des travaux plus détaillés seront nécessaires pour déterminer les mécanismes à l’origine des variations d’albedo.Le troisième objectif de cette thèse est de discuter les implications de la présence de clathrate hydrate en surface dans l’histoire climatique de Mars. Un scénario impliquant la formation de clathrate hydrate mixte de soufre et CO2 est proposé au regard des traces géomorphologiques du paysage martien.

Imaging spectrometer, Imaging spectro-photometer and high resolution spectrometer constitute the last generation of space instruments that strongly modified the study of planetary bodies. Such instruments allow us to follow the soil and atmospheric optical properties through space and time. The first objective of this Habilitation thesis is to propose some tools to analyze a huge amount of data in planetological perspectives. Three types of methods are introduced to examine the hyperspectral data acquired by OMEGA (Mars Express/ESA) and CRISM (Mars Reconnaissance Orbiter/NASA) instruments : (i) WAVANGLET, a fast detection algorithm based on wavelets to identify the presence of chemical species at the ground, (ii) BPSS, a blind source separation method that is able to detect chemical species without a priori, (iii) supervised unmixing algorithm using LinMin strategy. Also atmospheric correction methods, coupled to Bayesian inversion of photometric model, allow us to deal with the full CRISM photometric dataset. Finally, a method of micro-vibrations correction has been proposed in order to improve the quality of the PFS instrument (Mars Express/ESA) using semi-blind deconvolution.The Martian annual cycle of CO2 consists of an exchange between surface and atmosphere, which is particularly relevant in polar regions. During the polar night, atmospherical CO2 condensates at the ground, whereas it starts to sublimate again during the spring, when the solar light bring energy to the surface. This major climatic cycle has been identified in the 1960th but even today, the microphysic of interaction between surface and atmosphere is still unknown. Recent images at high spatial resolution (50 cm) from HiRISE (Mars Reconnaissance Orbiter/NASA) instrument show many active processes associated to sublimation. The second objective of this thesis is to build a model of the seasonal deposits sublimation, by simulating the mass balance but also by geomorphological and spectroscopic studies. Results show that the seasonal south polar cap sublimation is mainly controlled by its albedo. Further studies must determine the exact mechanisms in the origin of this albedo variability.The third objective of this thesis is to discuss the possibility of clathrate hydrate in the climatic history of Mars. A scenario, implying formation of clathrate hydrate of S and CO2 is examined in comparison with geomorphological clues of the Martian surface.; L’étude de Mars a été profondément modifiée par les dernières générations d’instruments spatiaux : les spectro-imageurs, les spectro-imageurs-photomètres et les spectroscopes à haute résolution spectrale. Ils permettent un suivi spatial et temporel des propriétés optiques des sols et de l’atmosphère. Le premier objectif de cette thèse d’Habilitation à Diriger des Recherches est méthodologique et consiste à proposer des outils permettant de traiter la grande quantité de données afin d’aborder des probléma- tiques planétologiques. Plusieurs types d’outils d’analyse des images hyperspectrales, notamment celles produites par les instruments OMEGA (Mars Express/ESA) et CRISM (Mars Reconnaissance Orbiter/NASA), ont été proposés : (i) WAVANGLET, une méthode rapide de détection des corps chimiques au sol basée sur la transformée en ondelette, (ii) BPSS, une méthode de séparation de source en aveugle qui détecte des corps chimiques sans a priori, (iii) des méthodes de dé-mélanges linéaires supervisées rapides utilisant la stratégie LinMin. Aussi des outils de correction atmosphérique couplés à des mé- thodes d’inversion bayésienne de modèle photométrique de surface ont été développés pour l’instrument CRISM. Enfin, une méthode de correction des effets de vibrations par déconvolution semi-aveugle a été développée pour PFS (Mars Express/ESA).Les régions polaires de Mars sont le siège d’un cycle climatique annuel d’échange de CO2 entre atmosphère et surface. Pendant la nuit polaire, le CO2 atmosphérique se condense au sol, tandis qu’il se sublime à nouveau, dès les premiers rayons du soleil. Ce cycle a été mis à jour depuis les années 1960 mais aujourd’hui encore, la microphysique d’interaction surface/atmosphère demeure inconnue. Des observations d’imagerie à haute résolution spatiale (50 cm) par HiRISE (Mars Reconnaissance Orbiter/NASA) ont montré une multitude de phénomènes actifs associés à la sublimation. Le second objectif de cette thèse est d’établir un modèle de sublimation des dépôts saisonniers, à la fois par simulation du bilan de masse mais aussi par étude géomorphologique et spectroscopique. Les résultats montrent que la sublimation de la calotte saisonnière sud de Mars est contrôlée majoritairement par son albédo mais des travaux plus détaillés seront nécessaires pour déterminer les mécanismes à l’origine des variations d’albedo.Le troisième objectif de cette thèse est de discuter les implications de la présence de clathrate hydrate en surface dans l’histoire climatique de Mars. Un scénario impliquant la formation de clathrate hydrate mixte de soufre et CO2 est proposé au regard des traces géomorphologiques du paysage martien.