CE49 - Planétologie, structure et histoire de la terre

Simulations et Observations de la dynamique atmosphérique d'Uranus et Neptune – SOUND

Exploration du climat des atmosphères d'Uranus et Neptune

Modélisation et observation des atmosphères d'Uranus et Neptune pour mieux comprendre leur climat et leur dynamique atmosphérique.

Objectifs

Nous visons à mieux comprendre la dynamique atmosphérique des deux planètes dites «géantes glacées« que sont Uranus et Neptune. Nous nous intéressons en particulier à comprendre les processus convectifs et orageux de petite échelle, la circulation à grande échelle, le transport des espèces, le rôle de l'activité des ondes, les éventuels effets saisonniers, ainsi que la structure thermique de ces atmosphères.<br />Ces planètes ont été peu explorées (un seul survol par Voyager 2 il y a plus de 30 ans) et leur fonctionnement est encore mal connu. Cependant, une mission vers Uranus partira sans doute à l'horizon 2030; tandis qu'à plus court terme, le télescope spatial JWST est sur le point d'acquérir de nouvelles données qui pourraient mieux contraindre la structure thermique de ces planètes. Par ailleurs, les progrès des super calculateurs offrent désormais la puissance de calcul nécessaire à des simulations climatiques haute résolution de ces planètes. Il est donc temps de développer des modèles adaptés à ces planètes qui permettront d'explorer les processus de dynamiques atmosphériques dans le monde numérique ainsi que fournir des prédictions de modèles (champs de vent, de température...) qui seront comparées à ces futures observations. Enfin, nous visons également à obtenir de nouvelles contraintes sur les vents stratosphériques de Neptune en exploitant les grands réseaux d'antennes dans le sub-millimétrique.

Notre outil principal est la modélisation du climat de ces planètes:
- A grande échelle, en développant un modèle de circulation générale (GCM) basé sur un modèle existant sur Jupiter et Saturne. Il vise à étudier la structure thermique, les vents et la circulation à grande échelle et leurs forçages (ondes, forçage radiatif…) au fil des saisons ;
- A petite échelle en développant une variante de ce modèle qui résout les processus convectifs (non résolus par la maille du GCM) afin de mieux comprendre l’organisation et l’intermittence de l’activité orageuse sur ces planètes.
- Nous menons également une activité d'analyse d'observations dans le domaine millimétrique et sub-millimétrique en vue d'obtenir de nouvelles informations sur les vents et la température.

Ainsi ce projet combine des approches des modélisation en sciences du climat et d'observations astrophysiques.

Ces trois approches ne sont pas indépendantes car il s’agit aussi de faire des comparaison entre observations et sorties de modèle, et des liens entre les processus de petite et grande échelle.

1. Le développement du GCM d'Uranus et Neptune est bien avancé. Une publication est en cours pour documenter l'évolution de la structure thermique au fil des saisons en l'absence de forçages dynamiques. Des simulations complètes (forçages radiatifs et dynamiques) à une résolution de 1° ont été effectués et sont en cours d'analyse.

2. Le modèle à petite échelle a été développé pour Neptune, incluant le transport et la condensation du méthane, et les premiers tests sont très prometteurs: des panaches convectifs se forment à intervalles réguliers.

3. Des analyses d'anciennes observations ALMA sont en cours pour contraindre les vents et la température stratosphériques de Neptune.

Nous continuons à tenter d'obtenir du temps d'observation sur ALMA et NOEMA pour améliorer les observations existantes.

Les simulations GCM d'Uranus et Neptune vont être analysées en détails (rôle des ondes dans le forçage des vents; influence des saisons,...).

Plusieurs résultats ont été présentés lors des congrès européens EPSC en 2021 et 2022.

Uranus et Neptune connaissent un regain d'intérêt de la part de la communauté scientifique en raison de 1) la possibilité, étudiée sérieusement par la NASA et l'ESA, d'envoyer une sonde vers ces planètes en ~2030 et 2) leur statut d'archétype de la plupart des exoplanètes découvertes à ce jour. Or, en dépit de nombreuses données observationnelles, la dynamique atmosphérique de ces planètes est très peu connue. Dans ce projet, nous construirons un nouveau modèle 3D de la circulation générale de ces atmosphères afin d'étudier leur régime de vent, caractérisé par des courant-jets très intenses. En parallèle, nous développerons un autre type de modèle à plus fine échelle qui a pour objectif de résoudre les panaches convectifs et d'étudier l'activité orageuse intermittente de ces planètes. Nous adopterons une approche de planétologie comparée basée sur notre expertise en modélisation de Saturne et Jupiter. Ces modèles permettront de mieux interpréter certaines observations inexpliquées, comme les cartes de distribution spatiales des espèces traces. Enfin, l'analyse d'observations (sub)mm à une précision inégalée nous permettra de mesurer pour la première fois la vitesse des vents stratosphériques.

Coordination du projet

Sandrine Guerlet (Laboratoire de météorologie dynamique)

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

LESIA Laboratoire d'études spatiales et d'instrumentation en astrophysique
LAB Laboratoire d'astrophysique de Bordeaux
LMD Laboratoire de météorologie dynamique

Aide de l'ANR 498 960 euros
Début et durée du projet scientifique : mars 2021 - 48 Mois

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