PhD proposal: Ground penetrating radar data analysis along the martian dichotomy

Encadrants

Cathy Quantin-Nataf (Université Lyon1/France) and Alain Herique (Université Grenoble Alpes/France)

Context

The Martian missions have gradually revealed that Mars abounds with evidence of a full ancient hydrological system favorable to life emergence. If so, we can expect ancestral sedimentary deposits in basins or in the Martian lowlands. Recent advances in the analyses of the surface of Mars suggest that buried Noachian deposits may be ubiquitous and locally exhumed. Different dataset can be used to study buried layers including surficial data (optical or hyperspectral), but also orbital low frequency radar data from MARSIS/Mex and SHARAD/MRO. However, penetrating radar data are still little used for subsurface geological investigations while they are crucial complementary dataset to surface data. The main reason is that the surface clutter of the rough surface of Mars is creating many reflectors inducing an ambiguity in radargrams between deep reflectors of interest and slant surface reflectors arriving at the time. The deconvolution of the surface clutter is so crucial to interpret the data in terms of subsurface structures. The classical approach for such deconvolution is to use the global altimetry data set (200m/pix) (Nouvel et al 2003, Carter et al., 2009), but at this low spatial resolution, many clutters are missed. Optical DTMs provide better resolution. However, their use remains limited due to their coverage and the presence of artifacts (Desage et al., 2023).

The goal of this PhD project is to better use higher resolution terrain models (10m/pix) to simulate the surface clutter in the goal to highlight geological reflectors possibly linked to buried layers especially in the region of the Martian dichotomy (transition between Martian low and highlands) and to complementary analyze their 3D geological context.

Methodology and work program

SHARAD (Mars SHAllow RADar sounder, onboard Mars Reconnaissance Orbiter) ground penetrating radar has the ability to sound the first few hundred meters of the subsurface with a vertical resolution of 15m and a horizontal resolution of few hundred meters (Seu et al., 2007).

To better simulate the surface clutter and remove ambiguities, we need elevation data at higher spatial resolution but with a coverage large enough to cover around 50 km on both side of the radar track. CTX Digital Elevation Models (DEMs), obtained by stereo-photogrammetry of CTX images (Beyer et al., 2018; Michael C. Malin et al., 2007), are about 10m/pix and cover about 17% of the surface of Mars allowing in certain places mosaicking of DEMs larger than 100 km. For instance, such mosaic of CTX DEMs has been produced and used to characterize the landing site of ExoMars (Volat et al., 2023).

We have developed a new pipeline allowing the mosaicking CTX images around SHARAD track to simulate the surface clutter of the observed SHARAD data. The pipeline has been delivered but all the tests and use cases in different geological context still need to be done.

The familiarization with methods and pipeline is the first part of the PhD. Geophysical interpretations and/or automated data analysis methods will be developed by the second part. The study of Oxia Planum region will for instance contribute to the characterization of the ExoMars landing site while being a study case for the pipeline validation. Then, key locations of the surfaces of Mars along the Martian dichotomy will then be analyzed and interpreted.

Required skills

The subject is between physics and planetary geosciences. We expect candidate to have solid physical background and knowledge (or at least interest) in Geosciences. Experience with penetrating radar data is not mandatory but is an advantage.

Application

CV and Cover letter to be send to cathy.quantin@univ-lyon1.fr before April 15st 2024.

Bibliography

  • Carter, L. M., Campbell, B. A., Watters, T. R., Phillips, R. J., Putzig, N. E., Safaeinili, A., et al. (2009). Shallow radar (SHARAD) sounding observations of the Medusae Fossae Formation, Mars. Icarus, 199(2), 295–302. https://doi.org/10.1016/j.icarus.2008.10.007
  • Beyer, R. A., Alexandrov, O., & McMichael, S. (2018). The Ames Stereo Pipeline: NASA’s Open Source Software for Deriving and Processing Terrain Data. Earth and Space Science.
  • Malin, Michael C., Bell, J. F., Cantor, B. A., Caplinger, M. A., Calvin, W. M., Clancy, R. T., et al. (2007). Context Camera Investigation on board the Mars Reconnaissance Orbiter. Journal of Geophysical Research E: Planets, 112(5), 1–25. https://doi.org/10.1029/2006JE002808
  • Seu, R., Phillips, R. J., Biccari, D., Orosei, R., Masdea, A., Picardi, G., et al. (2007). SHARAD sounding radar on the Mars Reconnaissance Orbiter. Journal of Geophysical Research E: Planets. https://doi.org/10.1029/2006JE002745
  • Volat, M; Quantin-Nataf, C; Dehecq, Digital elevation model workflow improvements for the MarsSI platform and resulting orthorectified mosaic of Oxia Planum, the landing site of the ExoMars 2022 rover, PLANETARY AND SPACE SCIENCE, 10.1016/j.pss.2022.105552, 2022
  • Desage L., Herique A., Douté S., Zine S., Kofman W., Resolving Ambiguities in SHARAD Data Analysis Using High-Resolution Digital Terrain Models, Remote sensing, https://doi.org/10.3390/rs15030764, 2023

Arrivée d’Ines Torres dans l’équipe

Après deux années de « Young Graduate Trainee » au site ESTEC de l’ESA pour préparer la mission du premier rover européen ExoMars, Inès rejoint e-Planets pour démarrer une thèse co-encadrée par Cathy Quantin Nataf (LGL-TPE) et John Carter (LAM) dans le cadre du projet ERC OCEANID.

L’objectif de sa thèse est de documenter l’enregistrement sédimentaire ancien de Mars au niveau de la transition entre les terrains hauts de l’hémisphère sud et les terrains bas du Nord et de préparer la mission ExoMars en analysant l’étendue et la nature des terrains sédimentaires qui composent le site d’atterrissage.

En effet, les missions martiennes des 20 dernières années ont révélé que Mars regorgeait de preuves d’un système hydrologique ancien complet favorable à l’émergence de la vie. Si tel est le cas, il y a tout lieu de croire que Mars a accueilli un océan hémisphérique couvrant les basses terres du nord. Cette hypothèse est aussi ancienne que l’exploration de Mars, mais a été remise en question à plusieurs reprises au cours des deux dernières décennies. Le cas de l’océan martien primitif reste l’un des problèmes les plus controversés et non résolus de la planète.

Des découvertes récentes rouvrent cette question suggérant que la principale activité océanique est peut-être plus ancienne qu’on ne le pensait avec des sédiments océaniques en partie enfouis et exhumés. La mission ExoMars Rosalind Franklin ESA qui sera lancé en 2028 a pour site d’atterrissage les dépôts sédimentaires les plus anciens jamais explorés sur Mars avec une origine potentiellement océanique.

Nous sommes tous heureux d’acceuillir et souhaiter la bienvenue à Ines!

    L’équipe e-Mars fait parler d’elle

    Benjamin Bultel apparait dans les pages de la Société Française d’Exobiologie !

    Benjamin, doctorant made in e-Mars

    Benjamin s’est fait interviewer pour le site web de la SFE. Il raconte son parcours, ses recherches et leur lien avec l’exobiologie. Si l’exploration vous intéresse, n’hésitez pas à aller en apprendre un peu plus !

    On te souhaite de continuer l’exploration après la fin de la thèse !

    1st e-Mars Scientific Day

    Avec les récentes arrivées dans l’équipe e-Mars, et plus largement au LGL, il était temps que nous fassions une journée « planétologie » tous ensemble pour faire le point des activités de recherche de chacun. C’est chose prévue puisque Cathy a organisé notre première journée de rencontre « e-Mars Scientific Day » le 22 novembre prochain. Vous pourrez trouver le programme des festivités ci-dessous…

    Continuer la lecture de « 1st e-Mars Scientific Day »

    Arrivée de Damien Loizeau en postdoc

    Damien Loizeau est le dernier postdoc à rejoindre l’équipe e-Mars. L’équipe est maintenant au complet! Après un premier postdoc à l’IAS, Damien a passé deux ans à l’ESTEC (ESA) aux Pays-Bas où il a travaillé sur différents types d’altération sur Mars : minéraux argileux formés en profondeur et excavés par des impacts et altération en surface grâce à de l’eau liquide. Il a aussi soutenu l’étude de sites d’atterrissage pour le rover Curiosity en étudiant la région de Mawrth Vallis, qui était un des sites finalistes avant la sélection du cratère Gale.

    Au sein du projet e-Mars, Damien va continuer à travailler sur l’altération aqueuse à la surface de Mars pour mieux comprendre la présence d’eau liquide au cours de l’évolution de la planète. Pour cela, il combinera entre autres les données spectrales CRISM et l’imagerie haute-résolution de CTX et HiRISE.

    Arrivée de Samantha Harrison en postdoc

    Samantha Harrison, la seconde postdoc à rejoindre l’équipe e-Mars, est arrivée. Elle vient juste de finir sa thèse à l’Open University, thèse réalisée sous la direction du Dr. Matt Balme sur les formations de Medusae Fossae.

    Au sein du projet e-Mars, elle va s’attaquer à l’étude des dépôts sédimentaires, similaires à ceux observés dans le cratère Gale par Curiosity! Pour cela, Samantha fera principalement de la morphologie à partir des images HiRISE

    Arrivée de Loïc Lozac’h au poste d’ingénieur

    L’ingénieur qui s’occupera de la gestion des données planétaires au sein du projet e-Mars est arrivé. Il s’agit de Loïc Lozac’h.

    Premières étapes pour rentrer dans le projet : comprendre les données, interpréter les objectifs (parfois complexes!) du reste de l’équipe et attaquer le code… L’arrivée du serveur est prévue autour de mi-mai. Beaucoup de travail en perspective!

    En tout cas, bienvenue à Loïc!