Modéliser des nuages exotiques de CO2 sur Mars – MECCOM

Modéliser les nuages de CO2 martiens est un vrai défi. Dans la mésosphère, la rareté des noyaux de glaciation et la densité faible de l’atmosphère nous obligent de revoir les théories de la microphysique utilisées. Dans la troposphère polaire, les nuages sont convectifs et/ou générés par les ondes atmosphériques, et le couplage entre la dynamique et le relâchement de la chaleur latente est fort. L’approche qui sera appliquée dans le projet MECCOM est la modélisation aux échelles multiples de ces nuages et de leurs interactions avec leur environnement, basée sur des outils de modélisation uniques. Récemment, notre groupe a développé un modèle de microphysique des nuages de CO2 en colonne (1D). Le couplage de ce modèle avec le modèle de climat global martien (MGCM), développé en collaboration entre les laboratoires LATMOS et LMD, a été effectué par notre équipe et nos collaborateurs. Le projet MECCOM a permis de valider ce couplage. En amont, le MGCM et le modèle méso-échelle martien (MMM), aussi développé au LMD, partagent les mêmes paramétrisations physiques, permettant le transfert immédiat et l’utilisation de la microphysique développée au modèle MMM. Le modèle MMM, qui fonctionne en plus haute résolution que le MGCM mais dans une aire plus limitée, permet des simulations à plus haute résolution spatiale et temporelle, ce qui est très important pour l’étude des processus convectifs. Avec ces méthodes et la vérité observationnelle basée sur les données existantes, nous sommes en position à construire une vue globale du cycle de CO2 martien, le rôle des nuages dans ce cycle et de la microphysique qui pilote leur formation et évolution.
Nous avons aussi appliqué des méthodes d’apprentissage machine pour ré-analyser un vieux jeu de données qui fournit des informations sur les nuages de CO2 polaires sur Mars.

Nous avons effectué les premières simulations couplant la microphysique des nuages de CO2 et le modèle de climat global. La microphysique prend en compte tous les processus de la formation et de l’évolution des nuages. La formation de ces nuages dépend de l’existence de 3 types de noyaux: poussière minérale, cristaux de glace d’eau et nanoparticules formées par l’ablation des météorites dans la moyenne atmosphère. Ces 3 sources sont incluses et ont des effets importants sur la formation des nuages. En particulier dans la mésosphère, les cristaux de glace d’eau et les particules météoritiques sont requis pour la formation des nuages de CO2.
La précipitation neigeuse dans les régions polaires a un effet sur l’émissivité de la surface et les nuages affectent celle de l’atmosphère. En particulier, la taille des particules influence l’émissivité. Maintenant la taille des particules est calculée par la microphysique d’une manière auto-descriptive et fournit une base pour le calcul du transfert de rayonnement. L’effet radiatif des nuages de CO2 a été ajouté dans le modèle et est important principalement aux régions polaires, couvertes de nuages épais de CO2 pendant la nuit polaire.
Nous avons également produit un nouveau catalogue de nuages via une méthode d’apprentissage machine appliqué à un jeu de données qui date d’il y a 20 ans. Nous avons utilisé la méthode non-supervisée de k-moyennes au jeu de données de l’altimètre MOLA, un instrument qui a volé sur Mars Global Surveyor il y a 20 ans. MOLA a été conçu pour cartographier la surface, mais il a aussi détecté des nuages. Nous avons ré-analysé ces données avec les méthodes modernes d’apprentissage machine et avons produit un catalogue de nuages qui fournit une base de données de nuages plus riche que les résultats précédents. Ce catalogue sera utilisé pour des étudier la nature des nuages et pour distinguer des catégories nuageuses, dévoilant la richesse des aérosols martiens (poussière, glaces d’eau et de CO2).

Notre projet a complété deux outils pionniers : deux modèles numériques atmosphériques pour Mars qui incluent la microphysique des nuages de CO2 et leur effet radiatif. Ces deux modèles, le modèle de climat global et le modèle méso-échelle, sont utilisés pour répondre aux questions persistantes sur ces nuages, laissées ouvertes par les observations. Ces modèles seront des outils indispensables pour étudier tous les aspects de l’atmosphère martienne et seront parmi les plus complets dans la communauté.

Notre projet d’apprentissage machine est parmi les premiers appliquant des techniques d’apprentissage machine aux données sur les atmosphères planétaires. Il montre l’exemple aux applications futures de ces méthodes.

Nous avons produit un catalogue de nuages basé sur les résultats de notre projet d’apprentissage machine. Il fournit une carte de détection des nuages avec l’altimètre MOLA de plus d’une année martienne, et couvre toute la planète. Le catalogue sera publié en accès libre à la communauté scientifique via une archive de données.

Le modèle de climat global et le modèle méso-échelle, tous les deux couplés avec la microphysique des nuages de CO2 et incluant leur effet radiatif, ont été utilisés pour produire les premières simulations d’une année martienne de la formation et l’évolution des nuages de CO2. Ces nuages se forment principalement pendant la nuit polaire aux pôles d’hiver, et influencent fortement les propriétés radiatives de la surface et de l’atmosphère. Leur formation dans la mésosphère est très sensible aux entrées et à l’état du modèle. En particulier, les noyaux de condensation pour ces nuages, fournis par trous sources différentes, sont un facteur limitant. Ces résultats seront publiés et les sorties des modèles seront fournies en libre accès à la communauté scientifique via une archive de données.

MECCOM est un projet de recherche fondamentale portant sur la formation des nuages de dioxyde de carbone (CO2) de la planète Mars, dont l’objectif est d’entreprendre les premières modélisations de ces nuages exotiques à toutes les échelles (de l’échelle microphysique à l’échelle globale). Ces nuages se forment à partir du composant majoritaire de l’atmosphère martienne, dans la troposphère aux pôles en hiver et dans la mésosphère aux latitudes tropicales. Après celle de la Terre, l’atmosphère martienne est la plus observée de notre Système solaire ; ces nuages n’ont néanmoins été identifiés qu’au début du 21ème siècle. Leur formation ainsi avérée recèle cependant de grandes inconnues quant aux processus qui la déterminent aux différentes échelles. L’impact de ces nuages dans le cycle global du CO2 n’a toujours pas été quantifié, et leur dynamique complexe dans la nuit polaire, et dans la mésosphère, appelle à être élucidée. Par ailleurs nous sommes toujours à la recherche de la clé du problème lié à leur formation dans la mésosphère : les noyaux de glaciation disponibles au-dessus de 40 km. La formation des nuages à partir d’une vapeur quasi-pure nous a conduits à réévaluer les théories de microphysique utilisées, en particulier pour la condensation et la sublimation. L’équipe MECCOM est impliquée dans les études observationnelles et de modélisation des nuages de CO2 depuis leur découverte, et ses membres sont des leaders internationaux sur le sujet. Aujourd’hui, l’équipe dispose de toute une gamme de modèles, développés par eux ou dans le cadre de collaborations privilégiées, allant de l’échelle microphysique détaillée à une dimension verticale à l’échelle tridimensionnelle planétaire, en passant par l’échelle régionale, et capables de modéliser la météorologie et le climat martiens en prenant en compte la microphysique des nuages de CO2. Avec ce projet MECCOM, nous proposons d’entreprendre la modélisation numérique des nuages de CO2 martiens aux différentes échelles pour répondre aux grandes inconnues quant à leur rôle dans le climat de la planète. Ce point est essentiel pour accéder à une compréhension exhaustive du cycle du CO2 actuel qui est l’un des cycles majeurs de l’environnement martien, ainsi qu’au rôle des nuages dans un climat passé plus clément, où l’eau liquide aurait coulé en surface. L’apport constant de nouvelles observations de l’atmosphère martienne et le développement de modèles à haute résolution nous permettent enfin de commencer à étudier des phénomènes à l’échelle régionale, qui doivent jouer un rôle important dans la dynamique globale de l’atmosphère. Les nuages de CO2 aux pôles sont un exemple de tels enjeux : leur formation induit probablement de la dynamique similaire à la convection humide sur Terre, qui impacte le vortex polaire et dès lors la dynamique atmosphérique de grande échelle. Les nuages mésosphériques quant à eux semblent résulter d’une interaction des ondes atmosphériques de moyenne échelle et d’échelle planétaire ainsi que de la disponibilité de noyaux de glaciation fournis par des ions mésosphériques hydratés, issus de l’activité météoritique (hypothèse récente). Notre étude est également alimentée par une approche de planétologie comparée : convection (« humide ») pilotée par la chaleur latente, ondes orographiques et nuages mésosphériques sont tous des phénomènes rencontrés sur Terre. Le projet MECCOM permettra à la responsable scientifique de construire et de consolider une équipe basée au LATMOS. Celle-ci sera soutenue par un réseau national et international de collaborations privilégiées, avec une forte expertise, dans lequel elle évoluera et que le projet renforcera encore davantage. MECCOM utilisera et promouvra les ressources françaises de calcul intensif et les données des missions spatiales européennes.