Modélisations photochimiques saisonnières des stratosphères de Jupiter et Saturne

Seasonal photochemical modeling of Jupiter and Saturn’s stratosphere

• Auteur / Autrice : Vincent Hue
• Direction : Michel Dobrijevic
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Astrophysique, plasmas, nucléaire
• Date : Soutenance le 24/09/2015
• Etablissement(s) : Bordeaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences physiques et de l’ingénieur (Talence, Gironde ; 1995-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'Astrophysique de Bordeaux
• Jury : Président / Présidente : Jean-Christophe Loison
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Emmanuel Lellouch, Aymeric Spiga, Franck Hersant, Thibault Cavalié, Thomas Greathouse
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Thierry Fouchet

Mots clés

Mots clés contrôlés

Transfert radiatif

Mission Cassini/Huygens

Variations saisonnières

composition chimique

Planètes externes

Saturne (planète) -- Atmosphère

Observations

Jupiter (planète) -- Atmosphère

Simulation, Méthodes de

Photochimie

Stratosphère

Mots clés libres

Planètes géantes

Photochimie

Stratosphère

Simulations

Jupiter

Saturne

Composition chimique

Effets saisonniers

Simulations numériques

Transfert radiatif

Structure thermique

Modèle photochimique

Modèle radiatif

Dynamique atmosphérique

Cassini-Huygens

Réseau chimique

Réseau chimique réduit

Couplage température- chimie

Evolution

Giant Planets

Photochemistry

Stratosphere

Numerical modeling

Jupiter

Saturn

Chemical composition

Seasonal effects

Radiative transfer

Thermal structure

Photochemical model

2D-model

Radiative model

Atmospheric dynamics

Cassini-Huygens

Chemical network

Reduced chemical network

Temperature-chemistry feedback

Evolution

Résumé

L’un des objectifs de cette thèse est d’interpréter les observations des principaux hydrocarbures(C2H2 et C2H6) effectuées par Cassini (NASA/ESA) sur Jupiter et Saturne. Les modèles photochimiques à une dimension sont insuffisants pour interpréter ces observations spatialement résolues. J’ai développé le premier modèle photochimique saisonnier à deux dimensions (altitude-latitude) des planètes géantes qui calcule leur composition chimique.En l’absence de transport méridional, la composition chimique de Saturne suit les variations d’ensoleillement. Les abondances de C2H2 et C2H6 mesurées par Cassini (Guerletet al., 2009) sont reproduites jusqu’aux latitudes moyennes, à des pressions supérieures à0,1mbar. Les écarts notés dans l’hémisphère sud suggèrent la présence de dynamique ou d’une chimie entre les ions et les espèces neutres. J’ai couplé, pour la première fois, mon modèle photochimique avec le modèle radiatif de Greathouse et al. (2008). Nous prédisons un décalage du pic saisonnier de température, par rapport aux précédents modèles, d’une demi-saison à haute altitude et aux hautes latitudes.Jupiter présente de faibles variations saisonnières de composition chimique, uniquement contrôlées par son excentricité. Les distributions méridionales observées de C2H2 etC2H6 présentent des tendances opposées (Nixon et al., 2010). Mon modèle est en accord avec les observations de C2H6 lorsque j’invoque une combinaison de diffusion méridionale et de circulation stratosphérique, tout en provoquant un plus grand désaccord avec les observations de C2H2. La chimie ionique pourrait principalement affecter C2H2 et jouer un rôle important dans l’atmosphère de Jupiter.

One of the goals of this thesis is to interpret the observations of the main hydrocarbons(C2H2 and C2H6) from Cassini (NASA/ESA) on Jupiter and Saturn. The one-dimensional photochemical models are insufficient to explain these spatially resolved observations. I have developed the first two-dimensional (altitude-latitude) seasonal photochemical model for the giant planets, which predicts their chemical composition.Without meridional transport, Saturn’s chemical composition follows the insolation variations. The C2H2 and C2H6 abundances measured by Cassini (Guerlet et al., 2009)are reproduced from the equator up to mid-latitudes, at pressures higher than 0.1mbar.At higher latitudes, the disagreements suggest either a stratospheric circulation cell orthe signature of ion-neutral chemistry. For the first time, I have coupled our seasonal photochemical model with the seasonal radiative model of Greathouse et al. (2008). I predict that the seasonal temperature peak is shifted half a season earlier, with respect to previous models, at high latitudes in the higher stratosphere.Jupiter shows weak seasonal variations of chemical composition, only controlled by its orbital eccentricity. The observed meridional distributions of C2H2 and C2H6 show opposition trends (Nixon et al., 2010). C2H6 observed distribution is reproduced when Isuppose a combination of meridional diffusion and stratospheric circulation, while causingat the same time a stronger agreement with the C2H2 observations. Accounting for theion-neutral chemistry might preferentially affect C2H2 and potentially play a key role on hydrocarbon abundances in Jupiter’s stratosphere.