Analysis of the Impact of Solar Energetic Particles Events on the Martian Neutral Upper Atmosphere using Mars Express Radio Occultation Data

Abstract

It is only recently that the periods during which the radars MARSIS and SHARAD are incapacitated, have been correlated to coronal mass ejections (CME) and solar energetic particles (SEP) events. MAVEN measurements of enhancements of the SEP electrons flux happen to be consistent with these radar blackouts. This phenomenon was attributed to an extra-ionization of the neutral atmosphere of Mars by the increased flux of SEP electrons, inducing an increase of the electron density which attenuates the radar signal. However, the effect of this phenomenon on the physical properties of the atmosphere was never observed as the instruments generally used, experienced blackouts. This study proposes the use of radio occultations to monitor the physical properties of the neutral Martian atmosphere during CME and SEP events as the radio signals used in this technique are not attenuated by the extra-ionization. The two case studies of this work suggest that CME/SEP events are correlated to a decrease of the upper atmosphere refractivity due to an increase of the electron density induced by an extra-ionization caused by the SEP electrons. An atmospheric disturbance is also observed during CME/SEP events further suggesting an extra-ionization of this same region. Our results are coherent with the MAVEN and MEX measurements of the SEP electrons as well as with MARSIS and SHARAD blackouts. This study presents the first global analysis of such modifications of the physical properties of the neutral atmosphere of Mars.

Ce n'est que récemment que les périodes durant lesquelles les incapacités des radars MARSIS et SHARAD ont été corrélées avec les événements d'éjections de masses coronales (EMC) et de particules énergiques solaires (PES). Les mesures de MAVEN des augmentations du flux d'électrons de PES sont consitantes avec les "blackouts" des radars. Ce phénomène a été attribué à une ionisation supplémentaire de l'atmosphère neutre de Mars par les flux accrus d'électrons de PES, causant une augmentation de la densité d'électrons, ce qui attenue le signal radar. Cependant, l'effet de ce phénomène sur les propriétes physiques de l'atmosphère n'a jamais été observé car les instruments utilisés habituellement expérimentaient des "blackouts". Cette étude propose l'utilisation d'occultations radio afin de mesurer les propriétés physiques de l'atmosphère neutre martienne lors des événements EMC et PES car les signaux radio utilisés par cette méthode ne sont pas atténués par l'ionisation supplémentaire. Les deux études de cas de cette recherche suggèrent que les événements ECM/PES sont corrélés avec une diminution de la réfractivité dans la haute atmosphère de Mars causée par une augmentation de la densité d'électrons, elle-même induite par une ionisation supplémentaire due aux électrons PES. Une perturbation atmosphérique est aussi observée durant les événements EMC/PES suggérant d'autant plus une ionisation supplémentaire de cette région. Nos résultats sont cohérents avec les mesures des électrons PES de MAVEN et MEX ainsi qu'avec les "blackouts" de MARSIS et SHARAD. Ceci présente la première analyse globale de tels effets sur les propriétés physiques de l'atmosphère neutre de Mars.