Vers un modèle générique 3D de la photochimie des atmosphères : de la Terre primitive aux exoplanètes

Toward a generic 3D model for atmospheric photochemistry : from early Earth to exoplanets

• Auteur / Autrice : Adam Jaziri
• Direction : Franck Selsis
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Astrophysique, Plasmas, nucléaire
• Date : Soutenance le 14/09/2021
• 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 : Franck Selsis, Jean-Christophe Loison, Sandrine Guerlet, Yamila Miguel, Jérémy Leconte, Nathalie Carrasco
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Sandrine Guerlet, Yamila Miguel

Mots clés

Mots clés contrôlés

Terre

Ozone atmosphérique

Photochimie

Exoplanètes

Planètes -- Atmosphères

Mots clés libres

Atmosphères

Exoplanètes

Photochimie

Ozone

Trappist-1

Terre primitive

Atmospheres

Exoplanets

Photochemistry

Ozone

Trappist-1

Early Earth

Résumé

L'étude des atmosphères planétaires a fait d'immenses progrès grâce à la généralisation des modèles hydrodynamiques 3D appelés GCM (Global Climate Models). La multiplication de ces modèles spécifiques à chaque planète du système solaire est un procédé d'étude qui atteint ses limites face à la grande diversité des exoplanètes. Il est nécessaire de développer des modèles génériques dans lesquels les différents paramètres associés à la planète, tels que son atmosphère, sa rotation, son orbite et son étoile, puissent être flexibles. D'autant plus que la synergie entre ces modèles et les observations est grandissante de par l'entrée dans une nouvelle phase pour les observations d'atmosphères exoplanétaires grâce au prochain lancement du JWST suivi du lancement d'ARIEL ainsi que de la construction de l'ELT. Le LMDZ générique est un GCM développé avec cet objectif. L'objectif de cette thèse a été de contribuer à l'amélioration de ce GCM par la mise en place d'un module flexible et générique de (photo)chimie qui lui faisait jusqu'alors défaut. Celui-ci permet de suivre l'évolution d'espèces chimiques connectées par un réseau de réactions et de photodissociations. Le couplage entre la chimie, la dynamique et le transfert de rayonnement est essentiel. Par exemple, il donne lieu sur Terre à la formation d'une couche d'ozone responsable de l'inversion de température stratosphérique, ce que le LMDZ générique peut reproduire grâce aux développements apportés.Cette nouvelle fonctionnalité du code a permis deux nouvelles études réalisées dans le cadre de cette thèse. Une première étude a été de tester la stabilité de l'atmosphère terrestre dans un contexte différent, sur une planète en rotation synchrone autour d'une étoile naine rouge. En nous plaçant dans le cas spécifique de l'exoplanète tellurique tempéré Trappist-1e qui fait partie des prochaines cibles du JWST, nous avons discuté quantitativement de l'observabilité d'une telle atmosphère. Puis nous avons étudié pour la première fois en 3D le rôle de la photochimie dans l'enrichissement de l'atmosphère terrestre en oxygène, qui date d'environ 2,5 milliards d'années. La photochimie résulte en une bistabilité de la composition atmosphérique pouvant expliquer un emballement rapide de la teneur en oxygène. Le lien étroit entre la photochimie et la température de surface au cours de cet emballement est discuté permettant ainsi d'affiner la compréhension globale du phénomène.

The study of planetary atmospheres has made immense progress thanks to the generalization of 3D hydrodynamic models called GCM (Global Climate Models). The multiplication of these models specific to each planet of the solar system is a study process that reaches its limits face to the great diversity of exoplanets. It is necessary to develop generic models in which the different parameters associated with the planet, such as its atmosphere, its rotation, its orbit and its star, can be flexible. Especially since the synergy between these models and the observations is growing due to the entry in a new phase for the observations of exoplanetary atmospheres thanks to the next launch of the JWST followed by the launch of ARIEL and the construction of the ELT. The generic LMDZ is a GCM developed considering this purpose. The objective of this thesis was to contribute to the improvement of this GCM by the implementation of a flexible and generic module of (photo)chemistry which was missing until now. This module allows to follow the evolution of chemical species connected by a network of reactions and photodissociations. The coupling between chemistry, dynamics and radiation transfer is essential. For instance, it forms on Earth an ozone layer responsible for the stratospheric temperature inversion, which the generic LMDZ can reproduce thanks to the developments made.This new functionality of the code allowed two new studies to be carried out within the framework of this thesis. A first study was to test the stability of the Earth's atmosphere in a different context, on a planet in synchronous rotation around a red dwarf star. In the specific case of the temperate exoplanet Trappist-1e, which is one of the next JWST targets, we discussed quantitatively the observability of such an atmosphere. Then we studied for the first time in 3D the role of photochemistry in the oxygen enrichment of the Earth's atmosphere, which dates back about 2.5 billion years. Photochemistry results in a bistability of atmospheric composition that can explain a rapid runaway oxygen content. The close link between photochemistry and surface temperature during this runaway is discussed in order to refine the global understanding of the phenomenon.