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

Notre outil principal est la modélisation du climat de ces planètes :

- Nous avons développé un modèle de circulation générale (GCM) d'Uranus et de Neptune, basé sur le Generic Planetary Climate Model. C'est un modèle 3D qui couvre tout le globe, sur une coquille d'atmosphère couvrant une gamme de pression de 10 bars à typiquement 0.1 mbar. Il vise à étudier la structure thermique, la circulation à grande échelle et leurs forçages (ondes, forçage radiatif…) au fil des saisons. Ce modèle emploie un maillage icosaédrique (le coeur 3D DYNAMICO) et des simulations ont été réalisées à une résolution spatiale de 1° et 2° (en équivalent latitude x longitude). Ces simulations sont analysées avec des outils de post-traitement permettant d'étudier les interactions ondes-écoulement, la circulation zonale et méridienne, différents termes de chauffage et d'accélération des vents.

- Nous avons également adapté au cas d'Uranus et Neptune un autre type de modèle 3D non plus global mais local, qui résout explicitement les processus convectifs de petite échelle - non résolus par une maille du GCM - afin de mieux comprendre l’organisation et l’intermittence de l’activité orageuse sur ces planètes. Ce modèle, non hydrostatique, considère un domaine restreint de typiquement 100 km de large avec un maillage de 2km (contre typiquement 500km dans le GCM). Le cadre de modélisation existait déjà pour d'autres planètes, mais il a fallu faire des adaptations, comme par exemple généraliser le code dans le cas où ce n'est pas l'eau qui condense dans l'atmosphère (mais le méthane dans notre cas).

- Enfin, nous avons mené une activité d'analyse d'observations dans le domaine sub-millimétrique avec ALMA en vue d'obtenir de nouvelles informations sur les vents et la température. Premièrement, le décalage Doppler des raies de CO et de HCN est évalué et interprété en terme de vitesse de vent suivant la ligne de visée. Deuxièmement, un modèle de transfert radiatif est utilisé pour remontrer à la section altitude-pression de la température qui correspond le mieux à l'intensité et à la forme des raies.

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. Dans le cadre du développement du GCM d'Uranus et Neptune, la paramétrisation des forçages radiatifs a été l'occasion d'étudier les profils de températures obtenus à l'équilibre radiatif et de les comparer aux observations. Nous avons montré que les températures troposphériques sont bien reproduites par cette version 1D du modèle, mais que la stratosphère de Neptune simulée est bien trop froide: les températures "trop chaudes" observées restent un mystère sur cette planète. Au contraire, les températures stratosphériques d'Uranus sont bien reproduites par le modèle lorsque des couches d'aérosols (dont les propriétés correspondent à des contraintes observationnelles récentes) sont incluses. Cela a donné lieu à une publication.

2. Le GCM reproduit qualitativement les structures de vent zonal observées, mais leurs vitesses sont assez largement sous-estimées par rapport à celles observées. Un travail de fond a été amorcé pour apporter une modification majeure au GCM, consistant à prendre en compte que la masse molaire de l'atmosphère varie spatialement, en raison de fortes variations de la concentration du méthane sur ces planètes. Les résultats préliminaires donnent bien lieu à une accélération des vents.

3. Le modèle à fine échelle a été appliqué avec succès à Uranus et Neptune, incluant le transport et la condensation du méthane. Des panaches convectifs se développent à intervalles réguliers, au-dessus de la couche principale de nuages de méthane. En effet, au niveau de condensation du méthane, le dégagement de chaleur latente ne suffit pas à déclencher un orage car sur ces planètes très riches en hydrogène, l'air humide est plus lourd que l'air sec. Une publication décrit les propriétés des orages (fréquence, intensité,...) pour différentes quantités de méthane, ainsi que les différences entre les cas d'Uranus et Neptune, principalement dues au flux de chaleur interne relativement important sur Neptune et inexistant sur Uranus.

3bis. Ce modèle a été appliqué également à l'étude de l'activité convective sur K2-18b, une exoplanète de type "mini-Neptune".

4. Le volet observationnel a donné lieu à deux publications concernant Neptune, exploitant des observations ALMA de 2016 : une sur les vents, une autre sur la structure thermique. Nous montrons que les vents stratosphériques sont freinés en altitude, avec des vitesses environ deux fois moindre que les vents déjà observés au niveau des nuages. Quant à la température, elle est globalement similaire à celle obtenue par des études précédentes, mais montrent en plus une zone froide dans la troposphère sous le vortex du pôle sud.

5. Enfin, après de nombreuses tentatives de demande de temps d'observation, nous avons obtenu de nouvelles mesures de Neptune avec ALMA en 2025, à une meilleure résolution spatiale. Ces données sont en cours d'analyse et permettront d'évaluer plus finement la structure spatiale des vents ainsi qu'une éventuelle variation temporelle depuis 2016.

Ces travaux ouvrent la voie à de nombreuses études dans la continuité directe avec le projet :

- Du côté du GCM, il reste beaucoup à faire avec les nouvelles fonctionnalités du modèle, incluant les variations de masse molaire de l'atmosphère.

- Le modèle à fine échelle gagnerait à être appliqué à des domaines plus grands pour étudier comment s'aggrègent les panaches.

- Des liens entre phénomènes à petite échelle et grande échelle restent à construire ; par exemple sur la question de comment représenter le transport par les panaches convectifs de petite échelle et les ondes de gravité dans le GCM, qui ne résout pas explicitement ces processus.

- Les observations ALMA de 2025 de Neptune doivent être analysées.

Plus généralement, ces travaux de modélisation nous ont motivé à appliquer le modèle à fine échelle au cas de Jupiter (puis Saturne), afin de revisiter notre connaissance des orages sur ces planètes.

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.