Composition du jury

Président du jury M. Frédéric HOURDIN Directeur de Recherche CNRS – Laboratoire de Météorologie Dynamique
– Rapportrice Mme. Sarah HÖRST Assistant Professor – Johns Hopkins University, Department of Earth & Planetary Sciences
– Rapporteur M. Franck SELSIS Directeur de Recherche CNRS – Laboratoire d’Astrophysique de Bordeaux
– Examinatrice Mme. Sandrine VINATIER Chargée de Recherche CNRS – Laboratoire d’Études Spatiales et d’Instrumentation en Astrophysique
– Examinateur M. Juan LORA Assistant Professor – Yale University, Department of Geology & Geophysics
– Directeur de thèse M. Sébastien LEBONNOIS Directeur de Recherche CNRS – Laboratoire de Météorologie Dynamique
– Membre invité M. Sébastien RODRIGUEZ Maître de Conférences Université Paris-Diderot, Intitut de Physique du Globe de Paris

Résumé

Cette thèse porte sur l’étude de l’atmosphère de Titan, plus particulièrement ses variations saisonnières, avec un modèle de climat global (GCM). La longévité exceptionnelle de la mission Cassini-Huygens ayant permis de cartographier et caractériser l’atmosphère pendant près d’une demi-année titanienne, de nombreux phénomènes saisonniers ont été mis en évidence, concernant l’évolution de la température dans les régions stratosphériques polaires, la rétroaction radiative des composés traces, et d’identifier les nuages polaires à très haute altitude. Une compréhension globale de ces mécanismes passe par le biais d’outils comme les GCMs. Le GCM Titan de l’IPSL existant avant ces travaux de thèse ne permettait pas d’aborder de manière satisfaisante ces problèmes, car souffrant d’une mauvaise représentation de la structure thermique dans la stratosphère. Une analyse du contrôle de la structure thermique dans ce modèle est effectuée dans un premier temps, et pointe une représentation insuffisante de l’absorption des gaz. On met donc en place un nouveau transfert radiatif, adapté de celui du GCM générique d’atmosphères planétaires, développé au LMD. Cette refonte s’étend à l’ensemble du couplage avec les modules photochimiques et microphysiques. Pour le premier, on effectue une mise à jour des schémas réactionnels et on développe une méthode capable de prendre en compte les variations d’opacités des composés traces induites par les changements saisonniers et leurs rétroactions radiatives – méthode potentiellement applicable à d’autres objets. Le modèle microphysique pré-existant ayant de nombreuses limitations, on en implémente également un nouveau, permettant de simuler les brumes. Des simulations entièrement couplées dynamique-physique-photochimie-microphysique peuvent ainsi être réalisées. Avec celles-ci on peut étudier l’influence des différents couplages sur la structure thermique et la dynamique atmosphérique, dans les différentes régions de l’atmosphère. Une attention particulière est portée sur les régions polaires stratosphériques, où les observations de Cassini ont pu suivre le renversement de la circulation à l’équinoxe et mettre en évidence un refroidissement hivernal très marqué à basse altitude, lié à la présence de nuages stratosphériques. Les mécanismes à l’œuvre dans le renversement de la circulation et le contrôle du refroidissement stratosphérique dans les simulations sont étudiés. Enfin, l’évolution saisonnière des composés, le rôle des couplages sur la phase est discuté, et les altitudes de condensation représentées dans le modèle sont analysées.

This thesis focuses on the study of Titan’s atmosphere, especially its seasonal variations, with a Global Climate Model (GCM). The exceptional longevity of the Cassini-Huygens mission having made it possible to map and characterize the atmosphere for nearly half a Titan-year, many seasonal phenomena have been highlighted, concerning the evolution of temperature in the polar stratospheric regions, the radiative feedback of trace compounds, and the identification of polar clouds at very high altitude. A global understanding of these mechanisms is achieved through tools such as GCMs. The IPSL Titan GCM preexisting before this thesis did not satisfactorily address these problems, as it suffered from a poor representation of the thermal structure in the stratosphere. An analysis of the control of the thermal structure in this model is first performed, and points to an inappropriate representation of the gases absorption. A new radiative transfer scheme is therefore implemented, adapted from the one of the generic planetary atmospheres GCM, developed at LMD. This revision extends to the entire coupling with photochemical and microphysical modules. For the first one, an update of the reaction schemes is carried out and a method is developed to take into account the opacities variations of trace compounds induced by seasonal changes along with their radiative feedbacks – a method potentially applicable to other objects. Since the preexisting microphysical model has many limitations, a new one is being implemented to simulate Titan haze. Fully coupled dynamic-physical-photochemical-microphysical simulations can thus be performed. They enable the study of the influence of the different couplings on the thermal structure and atmospheric dynamics, in various regions of the atmosphere. Sepcial attention is brought to bear on the stratospheric polar regions, where Cassini observations were able to follow the reversal of circulation around equinox and reveal a strong winter cooling at low altitudes, bound to the presence of stratospheric clouds. The mechanisms at work in the circulation reversal and the control of stratospheric cooling in the simulations are studied. Finally, the seasonal evolution of the compounds, the role of couplings on the phase is discussed, and the condensation altitudes as represented in the model are analyzed.