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Mars has a complex climate, characterized by carbon dioxide and water cycles, and dust transport at all scales. These cycles are mainly controlled by the seasonal condensation of CO₂ and water ice deposits at high latitudes during the polar night and their sublimation during the local spring. There are a lot of interactions between the CO₂ , water and dust cycles on Mars and they influence each other. An active seasonal process illustrates particularly well these links: the cryoventing, cold CO₂ gas jets triggered by seasonal sublimation of CO₂ deposits, which can put dust from the regolith in suspension into the atmosphere durably, and whose activity seems to be modulated by the exchange of water at the surface.The purpose of this thesis is to allow the use of the available hyperspectral imaging data to their full potential, to bring new constraints on seasonal exchanges between surface and atmosphere and the interactions between the different cycles (CO₂ , water , dust), focusing on cold gas jets. To achieve this, a semi-analytical radiative transfer model in compact ices and an effective inversion method were developed and validated.The radiative transfer model describes the interaction of light with a surface quantitatively, using the following parameters: thickness of the layer, volume proportions and grain-sizes of impurities, surface roughness. It is based on several key assumptions: geometrical optics, piecewise-continuous media quasi-spherical inclusions. The two-stream approximation is used for the radiative transfer inside the layer, but the surface specular reflectance is estimated taking into account the variability of the facets orientations from the surface roughness. This model was validated both numerically and on laboratory data.The inversion method consists in exploring synthetic databases generated by the radiative transfer model and determining the most likely sets of parameters to reproduce a given measure. The inversion is based on the Bayesian formalism: the manipulated variables are described by probability density functions. This allows to take into account realistic uncertainties on the data and enables to calculate a posteriori uncertainties on the result of the inversion.A focused study was conducted on a area of particular interest, to test and prove the applicability of this approach to the massive inversion of spectro-imaging data. The dune-field of Richardson Crater (72°S, 180°W) was chosen because it shows strong interactions between the water and CO₂ cycles, a major seasonal cryoventing activity, but also a large amount of data available and a high quality temporal monitoring. The monitoring of surface characteristics on this site shows a decrease in the thickness of the ice during the spring consistently with climate models simulations. We were able to estimate and monitor the content of water and dust in order to discuss the formation scenario of cold jets.; La planète Mars est le siège d'un climat complexe, caractérisé par des cycles du dioxyde de carbone et de l'eau, ainsi qu'un transport de poussière à toutes les échelles. Ces cycles se manifestent par la condensation saisonnière aux pôles de dépôts de glace de CO₂ et d'eau pendant la nuit polaire, et leur sublimation pendant le printemps local. Les cycles du CO₂ , de l'eau et des poussières sur Mars sont intimement liés. Un processus saisonnier actif illustre bien ces liens : les jets de gaz froid, déclenchés par la sublimation saisonnière des dépôts de CO₂ , pouvant mettre en suspension des poussières du régolite de manière durable dans l'atmosphère, et dont l'activité semble être modulée par les échanges d'eau à la surface.L'objectif de cette thèse est de permettre l'utilisation des données d'imagerie hyperspectrale disponibles au maximum de leur potentiel, pour apporter de nouvelles contraintes sur les échanges saisonniers entre surface et atmosphère et sur les interactions entre les différents cycles (CO₂ , eau, poussières), en se focalisant sur les jets de gaz froid. Pour cela, un modèle semi-analytique de transfert radiatif dans les glaces compactes, ainsi qu'une méthode efficace d'inversion ont été développés et validés.Le modèle de transfert radiatif permet de décrire l'interaction de la lumière avec une couche de glace de manière quantitative d'après les paramètres suivants : épaisseur de la couche, proportions volumiques et tailles des impuretés, rugosité de la surface. Il repose sur plusieurs hypothèses majeures : optique géométrique, milieux continus par morceaux, inclusions quasi-sphériques. L'approximation des deux flux est utilisée pour le transfert au sein de la couche mais la réflexion spéculaire en surface est estimée en tenant compte de la variabilité des facettes de la rugosité surfacique. Ce modèle a été validé numériquement et sur des données de laboratoire et des tests numériques. La méthode d'inversion consiste à créer des bases de données synthétiques d’après le modèle de transfert radiatif pour déterminer les jeux de paramètres les plus probables pour reproduire une mesure donnée. L'inversion repose sur le formalisme bayésien : les grandeurs manipulées sont décrites par des densités de probabilités. Ceci permet la prise en compte de manière réaliste des incertitudes sur la donnée et le calcul d'une incertitude a posteriori sur le résultat de l'inversion.Une étude ciblée d'un site d'intérêt a été menée pour tester et démonter l'applicabilité de cette démarche à l'inversion massive de données de spectro-imagerie.Nous avons déterminé l’état de surface du champ de dunes du cratère de Richardson (72°S, 180°W), choisi car il présente de fortes interactions entre cycle de l'eau et du CO₂ , une important activité saisonnière de jets froids mais aussi une grande quantité de données disponible et une haute qualité du suivi temporel. Le suivi des caractéristiques de surface sur ce site montre une diminution de l'épaisseur de la couche de glace pendant le printemps cohérente avec les estimations des modèles de climat. Nous avons pu estimer et faire le suivi du contenu en eau et en poussière pour discuter le scénario de formation des jets froids. Nous avons proposé un nouveau mécanisme de mise en suspension des petits grains d’eau.

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.

The current climate of Mars causes the formation of seasonal consendates on the surface of high-latitude regions during the polar night. This layer sublimates when exposed to sun in spring. Spatial instruments have enabled to study the spatial and temporal evolution and thermodynamic properties of ther CO2-mainly deposits. The aim of this thesis is to supplement this research by laboratory experimentation in order to improve the knowledge of the condensates properties and microphysical process. An experimental set-up, CARBON-IR, has been conceived to manipulate analogous ices in controlled environment. The experiments on CO2, at equilibrium or nonequilibrium, create various grainsize (from about ten microns to several millimeters) and porosity (from 0 to 50% approximately) condensates. The corresponding near-infrared reflectance spectra show specific differences. Compact CO2 slab ices, transluscent or with highly transparency, can be formed by thermal metamorphism of porous snow or by direct condensation of gas. Thermal fluxes balance in the system highlights heat fluxes supplied by the set-up to the sample and the sublimation-condensation process ocurring in it, with matter and energy transfers through the porosity. Thermal and pressure constraints on the ice samples enable to determine the evolution according to of specific parameters, and therefore to comprehend the seasonal condensates microphysic evolution associated with local thermal conditions on Mars polar regions. Accuracy of radiative transfer models and GCM, as well as interpretation of Martian monitoring data will be improved by the confrontation with the experimental results., Le cycle climatique actuel de Mars entraîne la formation d'une couche de condensats saisonniers à la surface des régions de hautes latitudes pendant la nuit polaire ; elle sublime au printemps avec le retour de l'insolation. Les instruments spatiaux ont fourni de nombreuses informations sur l'évolution spatio-temporelle et les propriétés thermodynamiques de ces dépôts, composés majoritairement de CO2. Le but de cette thèse est de compléter leur étude par une approche expérimentale visant à améliorer leur caractérisation et à connaître la microphysique associée. La conception d'un dispositif expérimental CARBON-IR a permis l'étude d'analogues dans un environnement contrôlé. Les expériences sur des échantillons de CO2, à l'équilibre ou non, ont abouti à des condensats avec diverses tailles de grains (de la dizaine de microns à plusieurs millimètres) et porosités (de 0 à 50% environ). Les spectres en réflectance associés montrent des différences caractéristiques. Des slabs compacts de glace de CO2, translucides ou transparents, ont été obtenus par métamorphisme d'une couche de neige poreuse ou par condensation directe. Les bilans de flux thermiques renseignent sur les apports calorifiques du dispositif expérimental à l'échantillon et les processus de sublimation-condensation que subit celui-ci, via des transports de matière et d'énergie qui peuvent s'effectuer à travers la porosité. L'application de contraintes thermodynamiques aux échantillons de CO2 permet de déterminer leur évolution vis-à-vis de paramètres ciblés. Les résultats améliorent la compréhension des évolutions microphysiques des condensats saisonniers en réponses aux conditions thermiques locales à la surface de Mars. Les résultats expérimentaux mis en parallèle avec les observations martiennes aideront à l'interprétation de ces dernières, tout comme ils permettront de mieux contraindre les modèles de transfert radiatif et les GCM.

Seasonal CO2 and H2O ices play a ma jor role in the current climate of Mars. Their condensation/sublimation cycle largely control the variations of atmospheric pressure and humidity. The aim of this thesis is to provide new observational constraints to the surface/atmosphere interactions during the retreat of the northern seasonal deposits. Using near infrared hyperspectral images from the OMEGA instrument (Mars Express), the extent of the seasonal CO2 and H2 O ices was mapped from winter solstice to summer solstice. A water ice annulus systematically surrounds the CO2 -rich seasonal deposits. It is an important source of water vapor during its sublimation. A water ice layer progressively covers the CO2 ice. It results from two processes : accumulation of water ice grains previously embedded into CO2 ice and laying onto the surface while CO2 ice sublimes, and condensation of water vapor coming from the sublimating water ice annulus. Sudden increases of the CO2 ice signatures are observed in the spiral troughs and scarps of the North permanent cap and in the circumpolar dark dunes field. It probably results from an enhancement of the katabatic winds due to transient low pressure systems. These dynamical processes result in an inhomogeneous accumulation of water frost onto the North permanent cap at the beginning of summer which could play a role in the present evolution of the cap. Knowledge of the water vapor sources location and of the surface/atmosphere interactions during northern winter and spring will improve climate models and our understanding of the current water cycle on Mars., Les dépôts saisonniers de glace de CO2 et de H2O jouent un rôle ma jeur dans le climat actuel de Mars. Leur cycle de condensation/sublimation contrôle en grande partie les variations de la pression atmosphérique et de l'humidité. Le but de cette thèse est d'apporter de nouvelles contraintes observationnelles aux interactions surface/atmosphère pendant la phase de retrait des dépôts saisonniers nord. A partir des données proche infrarouge de l'imageur hyperspectral OMEGA (Mars Express), l'extension des glaces saisonnières de CO2 et H2O a été cartographiée du solstice d'hiver au solstice d'été. Un anneau de glace d'eau entoure systématiquement les dépôts saisonniers riches en CO2 et constitue une source importante de vapeur d'eau lors de sa sublimation. Une couche de glace d'eau recouvre progressivement la glace de CO2 , résultat de deux processus : l'accumulation de la glace d'eau contenue dans la glace de CO2 et restant en surface lorsque le CO2 se sublime, et la condensation de vapeur d'eau issue de la sublimation de l'anneau de glace d'eau. Des remontées soudaines de la signature de la glace de CO2 sont observées dans les dépressions spirales et escarpements de la calotte permanente nord, et dans le champ de dunes circumpolaires, conséquence probable d'un renforcement ponctuel des vents catabatiques par le passage de systèmes dépressionnaires. Le résultat de ces processus dynamiques est une accumulation inhomogène de givre d'eau sur la calotte permanente nord au début de l'été qui participe à l'évolution actuelle de la calotte. La connaissance de la localisation des sources de vapeur d'eau et des interactions surface/atmosphère pendant l'hiver et le printemps nord permettra d'améliorer les modèles climatiques et notre compréhension du cycle actuel de l'eau sur Mars.

Imaging spectrometer, the last generation of space instruments, strongly modify the study of planetary surfaces. Those detectors record manifold hyperspectral images (an image for which each pixel is associated with a spectrum). Such instrument allows us to follow the soil optical properties through space and time. The first objective of my thesis is to propose some tools to analyse a huge amount of images and spectra in planetological perspectives. Two types of methods are introduced to examine the data acquired by the OMEGA instrument (Mars Express/ESA) : (i) WAVANGLET, a fast detection algorithm to identify the presence of chemical species at the ground, (ii) JADE+BPSS, a blind source separation method that is able to detect chemical species without a priori. The Martian annual cycle of CO2 consist of an exchange between surface and atmosphere, which is particularly relevant in Polar Regions. During the polar night, atmospherical CO2 condensate at the ground, whereas it starts to sublimate again during the spring, when the solar light heat up the surface. This major climatic cycle has been revealed in the 1960th but even today, the microphysic of interaction between surface and atmosphere is still unknown. The second objective of this thesis is to build a model of the seasonal deposit sublimation. The mass balance is simulated by a radiative balance on a rough surface. The confrontation of this model with various dataset shows 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 (metamorphism, dust contamination,. . . )., L'étude des surfaces planétaires a été profondément modifiée par la dernière génération d'instruments spatiaux : les spectro-imageurs. Ces détecteurs produisent de nombreuses images hyperspectrales, pour lesquelles chaque pixel est associé à un spectre. Ils permettent un suivi spatial et temporel des propriétés optiques des sols. Le premier objectif de cette thèse est de proposer des outils permettant de traiter la grande quantité d'images et de spectres afin d'aborder des problématiques planétologiques. Deux types d'analyse des images produites par l'instrument OMEGA (Mars Express/ESA) sont avancées : (i) WAVANGLET, une méthode rapide de détection des corps chimiques au sol, (ii) JADE+BPSS, une séparation de source en aveugle qui permet de détecter des corps chimiques sans a priori. 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 pour gonfler l'atmosphère, dès les premiers rayons du soleil au printemps. Ce cycle a été mis à jour depuis les années 60 mais aujourd'hui encore, le détail microphysique d'interaction entre atmosphère et surface demeure inconnu. Le second objectif de cette thèse est d'établir un modèle de sublimation des dépôts saisonniers martiens. Le bilan de masse est simulé par un bilan radiatif sur une surface rugueuse. La confrontation de ce modèle avec différents jeux de données spatiales a permis de montrer que la sublimation de la calotte saisonnière sud de Mars est contrôlée majoritairement par son albédo. Des études ultérieures seront nécessaires pour saisir quels sont les mécanismes à l'origine des variabilités d'albédo (métamorphisme, contamination en poussière, . . . ).