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Observation et Modélisation de l'Atmosphère des planètes GEantes – OMAGE

Observation et modélisation de l'atmosphère des planètes géantes gazeuses

Construction d'un modèle de circulation générale (MCG) de l'atmosphère de Saturne et des autres planètes géantes, contraint par les observations spatiales de Cassini.

Objectifs du projet

L'objectif est de développer un Modèle de Circulation Générale capable de simuler la circulation atmosphérique des planètes géantes gazeuses (en particulier Jupiter et Saturne) dans le but de mieux comprendre comment fonctionnent ces planètes. Cet effort de modélisation est motivé par l'observation de phénomènes atmosphériques complexes et variés (en particulier grâce au satellite Cassini, en orbite autour de Saturne depuis 2004) dont nous cherchons aujourd'hui à comprendre les mécanismes.

Pour mener à bien ce projet, nous menons de front des analyses de données de spectroscopie infrarouge par la sonde Cassini, afin de caractériser au mieux la structure thermique et chimique de Saturne. En parallèle, nous développons un GCM de son atmosphère. Ce type de modèle contient un coeur dynamique qui résoud les équations de l'hydrodynamique sur une grille temporelle en trois dimensions et est couplé à des modules physiques qui paramétrisent le forçage radiatif, les ondes, les nuages, etc.

Nos analyses de données de Cassini nous ont permis de mettre en évidence des variations saisonnières de température: l'hémisphère Nord de Saturne s'est réchauffé de 10K entre l'hiver et le printemps. Dans le GCM, le module de transfert de rayonnement est en cours de validation et d'optimisation. Les conditions aux limites de vent ont été implémentées ainsi qu'un flux interne d'énergie. Les premiers tests 3D sont en cours et la structure thermique obtenue est comparée aux observations.

Les applications pour l'étude de l'atmosphère de Saturne sont nombreuses: comment est déclenchée la circulation à grande échelle dans la stratosphère? Quel est le rôle des ondes et du forçage radiatif saisonnier? Quels phénomènes régissent les vortex polaires et les tempêtes? Nous appliquerons ensuite ce GCM à Jupiter et aux exoplanètes géantes gazeuses. Cet outil permettra de mieux comprendre les mécanismes sous-jacents aux phénomènes rencontrés dans des environnements planétaires différents.

Ces travaux ont été présentés au cours de plusieurs conférences passées et à venir:
European Geophysical Union (avril 2013)
Chapman Conference From Earth to exoplanets (juin 2013)
European Planetary Science Conference (septembre 2013)
Annual Meeting of the Division for Planetary Sciences (octobre 2013)

Le projet OMAGE vise à mieux comprendre la dynamique des atmosphères des planètes géantes dans leur ensemble, en associant des contraintes observationnelles au développement d'un modèle de circulation générale (MCG) inédit. Des programmes observationnels récents, spatiaux ou au sol, ont révélé la complexité et richesse de leurs atmosphères. En particulier pour Saturne, des cartes de température et de distribution des espèces traces ont été obtenues par la sonde Cassini avec un niveau de détail sans précédents. Ces cartes montrent des anomalies qui ne peuvent être expliquées par les prédictions de modèles de photochimie et transfert de rayonnement existants (aucun d'entre eux n'incluant de dynamique), et ces anomalies ont été interprétées comme étant des signatures de la dynamique atmosphérique. Cependant, puisqu'aucun modèle de dynamique de la stratosphère de Saturne n'existe à ce jour, ces hypothèses n'ont pas pu être testées, et la circulation atmosphérique de Saturne reste très peu connue. En outre, sur Saturne et Jupiter, des oscillations équatoriales en vent zonal et température ont récemment été découvertes et ressemblent à l'oscillation quasi-biennale terrestre, un phénomène de dynamique atmosphérique fondamental. Ces oscillations semblent donc être des manifestations communes de la dynamique dans des atmosphères planétaires très différentes.
Dans ce projet, nous proposons d'étudier en détail la circulation stratosphérique des planètes géantes en développant le premier modèle de circulation générale adapté à ces planètes. Ce MCG sera un nouvel outil permettant d'adresser des questions fondamentales de dynamique des fluides géophysiques et d'interpréter les observations passées et futures. Le développement du MCG pour les géantes gazeuses s'appuiera sur 1) nos connaissances actuelles de leurs propriétés physiques, de bonne qualité grâce aux observations récentes et 2) l'expertise du Laboratoire de Météorologie Dynamique (LMD) dans le développement des MCG de Mars, Vénus et Titan. Ce nouveau MCG sera utilisé dans un premier temps pour reproduire le climat de Saturne, pour qui les contraintes observationnelles sont les plus documentées. Puis, nous poursuivrons en adaptant le modèle à l'étude de Jupiter, qui présente des problématiques similaires. Plusieurs cas de planétologie comparé seront étudiés. Enfin, ce modèle sera adapté aux planètes extrasolaires comme les "Jupiter Chauds" qui serviront de laboratoire naturel pour tester nos connaissances de la dynamique atmosphérique dans des environnements extrêmes.
La première partie du projet sera concentrée sur l'adaptation du MCG existant à Saturne. Les différentes tâches seront:
- Adapter le coeur dynamique existant aux géantes gazeuses,
- Adapter les modules physiques (transfert de rayonnement, thermodynamique) aux conditions de Saturne (composition, température),
- Parametriser les conditions aux limites des géantes gazeuses, bien différentes de celles des planètes telluriques,
- Optimiser l'efficacité des calculs.
En parallèle, nous contribuerons à l'analyse des données de Cassini de la mission étendue (en orbite autour de Saturne jusque 2017) en vue d'étudier les variations saisonnières en température et composition, ce qui apportera des contraintes essentielles au MCG. Lorsque le modèle aura atteint sa maturité et sera validé, nous effectuerons des simulations en vue de:
- Caractériser les cellules de circulation globales et/ou saisonnières, leur efficacité à transporter les espèces traces
- Reproduire les observations de Cassini,
- Etudier le role de l'ombre des anneaux (qui se projette d'un hémisphère à l'autre selon les saisons) sur le forçage saisonnier,
- Etudier ce qui déclenche et maintien l'oscillation équatoriale et notamment le rôle des ondes.
Durant la dernière partie du projet, nous adapterons le modèle à d'autres planètes gazeuses: d'abord Jupiter, plutôt similaire à Saturne, puis aux exoplanètes, caractérisées par des conditions extrêmes.

Coordinateur du projet

Madame Sandrine GUERLET (Laboratoire de Meteorologie Dynamique) – sandrine.guerlet@gmail.com

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

LMD Laboratoire de Meteorologie Dynamique

Aide de l'ANR 237 640 euros
Début et durée du projet scientifique : novembre 2012 - 36 Mois

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