Les SHERPAS de Pluton: Etude des interactions surface-atmosphere et de l'impact radiatif de la brume organique sur Pluton – SHERPAS

Le survol de Pluton en 2015 a révélé un monde glacé magnifique, aux paysages inédits dans le système solaire, débordants d’activité avec des glaciers et des dunes composées des glaces volatiles N2, CH4, CO, ainsi qu’une atmosphère chimiquement riche dévoilée par la présence de fines couches de brume bleutées. Ces observations exotiques, parfois énigmatiques, soulèvent de nouvelles questions fondamentales sur l'évolution de l'atmosphère et de la surface de Pluton et de mondes similaires (objets froids aux atmosphères condensables et ténues, par ex. Triton et autres objets trans-neptuniens) et appellent à des efforts de modélisation pour compléter leur analyse et comprendre les mécanismes associés. Avec le projet SHERPAS, nous utiliserons Pluton comme laboratoire naturel pour étudier la physique et la dynamique de climat planétaire. Nos objectifs sont de comprendre :
(1) Ce qui contrôle le profil thermique de l’atmosphère, en particulier le refroidissement inattendu de 40 K au-dessus de la stratosphère et la couche froide de 3km d’épaisseur au-dessus de la surface. Est-ce la brume organique ? Est-ce que la condensation des hydrocarbures dans l’atmosphère joue un rôle ? Nous avons récemment acquis des observations JWST de Pluton, dont l’analyse fournira des indices sur l’impact radiatif de la brume. Nous mènerons également l’enquête sur le mystérieux profil thermique de Triton.
(2) Quels processus déclenchent la formation d’ondes atmosphériques et des couches de brume observées. Est-ce que les ondes sont dominées par un forçage par la topographie ou par la sublimation et condensation diurne des dépôts de glace d’azote ? Comment ces ondes affectent-elles l’atmosphère ?
(3) Quelles interactions entre la surface et l’atmosphère forment les dunes glacées observées à la surface de Pluton. Est-ce plutôt la sublimation ou la condensation qui domine la formation de ces reliefs ? Comment ces structures se comparent-elle à d’autres similaires dans le système solaire, en particulier sur Terre et sur Mars ?
Pour atteindre ces objectifs, nous développerons un modèle de climat global nouvelle génération, capable de simuler l’atmosphère et la surface de Pluton, Triton et même d’autres objets transneptuniens. Ce modèle contiendra un cœur dynamique ultra-parallélisable, permettant d’accélérer les calculs d’un facteur 200 par rapport au modèle de Pluton existant, ce qui est crucial pour simuler une année plutonienne (248 ans). Nous développerons un schéma de transfert radiatif complet pour Pluton et Triton, la microphysique de la brume organique et des nuages, les micro-climats sur les pentes, et l’impact des ondes atmosphériques sur les vents. Le modèle atmosphérique sera couplé à un modèle de surface pour simuler les paléoclimats de Pluton et Triton sur plus de 100 millions d’années. Enfin, un modèle exosphérique sera ajouté pour simuler les atmosphères locales et non-globales de Eris et Makemake lorsque ces objets s’approchent de leur périhélie. Ces développements bénéficieront directement et fortement aux enquêtes scientifiques de ce projet, et également au-delà. En particulier le modèle Générique, simulant le climat des exoplanètes, pourra bénéficier de tous les schémas que nous développerons (microphysique de la brume et des hydrocarbures, transfert radiatif, schéma de pentes et d’ondes, modèle paléoclimat).
Nous combinerons l'expertise de 3 laboratoires (LESIA, LMD et LPG), et comparerons les résultats des modèles avec les observations disponibles pour les interpréter. Nous mènerons des études de planétologie comparée, en particulier entre Pluton, la Terre et Mars pour les dunes de glace, entre Pluton, Triton et Mars pour les ondes de gravité, et entre Pluton, Triton, Titan et la Terre primitive pour l’impact radiatif de la brume. Ces comparaisons nous permettront d’évaluer l’universalité ou le caractère unique des phénomènes rencontrés sur Pluton. Notre projet recrutera: 1 post-doctorant (2 ans, LESIA), 1 doctorant (LPG), 1 ingénieur (LMD)