Les cycles de Titan avec un Modèle de Climat Global. Des observations de Cassini à l’exploration de Dragonfly.

Titan's cycles with a Global Climate Model. From Cassini's observations to Dragonfly's exploration.

• Auteur / Autrice : Bruno De Batz de Trenquelléon
• Direction : Pascal Rannou, Sébastien Lebonnois
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique appliquée
• Date : Soutenance le 01/10/2024
• Etablissement(s) : Reims
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mathématiques Physique Sciences du Numérique et de l'Ingénieur (Reims ; 2018-)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Groupe de Spectrométrie Moléculaire et Atmosphérique (GSMA) - UMR CNRS 7331 (Reims, Marne)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Equipe Aéronomie-GSMA
• Jury : Président / Présidente : Athéna Coustenis
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Pascal Rannou, Sébastien Lebonnois, Franck Montmessin, Lori Neary, Frédéric Hourdin, Tanguy Bertrand
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Franck Montmessin, Lori Neary
• DOI : 10.70675/276a2ee2za2b1z4720zb293z57e93ba9ad2c

Mots clés

Mots clés contrôlés

Astrophysique

Planétologie

Titan (satellite de Saturne) -- Atmosphère

Climat -- Observations

Chimie de l'atmosphère

Azote

Méthane atmosphérique

Mission Cassini/Huygens

Mots clés libres

Astrophysique

Planétologie

Titan

Climat

Microphysique

Modélisation

Astrophysics

Planetary Sciences

Titan

Climate

Microphysics

Model

Résumé

L'atmosphère de Titan possède l'une des chimies les plus complexes du système solaire. Ses principaux composés - l'azote et le méthane - sont dissociés à haute altitude, produisant un ensemble de molécules complexes qui génère une couche de brume photochimique enveloppant intégralement Titan. En outre, Titan possède un cycle du méthane similaire au cycle hydrologique établi sur Terre (évaporation, condensation, précipitations). La brume, le méthane, et les nuages sont soumis à des cycles couplés dont les mécanismes ne sont pas encore complètement compris. La mission Cassini-Huygens (2004-2017) a révélé un système climatique complexe et des structures de surface variées sur Titan. Les instruments ont suivi le basculement de la circulation atmosphérique à l'équinoxe et ses effets sur le climat. Aussi, les mesures in situ ont déterminé un rapport de mélange du méthane de 1,4 % au-dessus de la tropopause, augmentant jusqu'à 5,5 % à 5 km, et restant constant jusqu'au sol. Une nouvelle mission de la NASA, Dragonfly, prévue pour 2028, devrait poser un drone sur Titan en 2034 pour étudier en détail la région équatoriale. Cette thèse s'inscrit dans la continuité des recherches précédentes sur le climat de Titan et se concentre sur la caractérisation du cycle du méthane dans la troposphère, en utilisant un Modèle de Climat Global (GCM) adapté à Titan. Le méthane contrôle le climat de Titan, entre autres par le biais du transfert radiatif ou de la formation des brumes et des nuages, et conditionne l'environnement de la région où se dérouleront les observations de la mission Dragonfly. Il est donc fondamental pour les recherches futures sur Titan de comprendre le cycle du méthane dans l’atmosphère (sources, puits, et flux). La première partie de cette thèse se concentre sur le développement du GCM de Titan, développé depuis les années 1990 au Laboratoire de Météorologie Dynamique, et renommé Modèle de Climat Planétaire de Titan (PCM de Titan) au cours de cette thèse. Un nouveau modèle microphysique de nuages adapté à Titan y a été intégré. Il prend en compte les phénomènes de nucléation et de condensation des espèces chimiques présentes dans l'atmosphère de Titan. De plus, des processus d'interaction entre la surface et l'atmosphère ont été ajoutés, permettant de traiter les échanges entre les différents réservoirs. Cela permet de déterminer les flux des différentes phases du méthane (solide, liquide, gaz), qui contrôlent le cycle du méthane dans la troposphère, et d'interpréter les structures observées (distribution et composition des lacs, nuages et précipitations). Ce modèle est également capable de fournir des prédictions climatiques pour la saison et la région ciblées par la mission Dragonfly. Après les développements microphysiques et l'intégration des processus liés au cycle du méthane, la seconde partie de cette étude exploite les résultats du modèle pour analyser les processus saisonniers de l’atmosphère de Titan. Le modèle peut désormais prédire la cartographie des brumes et des nuages dans l’atmosphère, ainsi que caractériser ces nuages en termes d’opacité, de taille des gouttes et de composition. Nous sommes capables d’expliquer les flux de méthane, ses sources (évaporation à la surface), ses puits (précipitations), ainsi que les bilans nets. Ce travail a démontré que la troposphère de Titan est dominée par l'interaction complexe entre le méthane, les espèces photochimiques, les nuages, le brouillard de condensats, et les réservoirs liquides à la surface. Dans la stratosphère, le climat est principalement dominé par la brume et par une forte rétroaction avec la circulation atmosphérique. L’organisation des cycles climatiques sur Titan a également été étudiée. Une analyse des processus saisonniers, en particulier aux pôles, a également été effectuée, et a permis d’expliquer la structure thermique de l’atmosphère au pôle d’hiver, initiant la formation de nuages de HCN à très haute altitude (> 250 km).

Titan's atmosphere has one of the most complex chemistries in the Solar System. Its main compounds - nitrogen and methane - are dissociated at high altitudes, producing a complex set of molecules that generate a layer of photochemical haze enveloping Titan in its entirety. Titan also has a methane cycle similar to the hydrological cycle established on Earth (evaporation, condensation, precipitation). The haze, methane, and clouds are subject to coupled cycles, the mechanisms of which are not yet fully understood. The Cassini-Huygens mission (2004-2017) has revealed a complex climate system and varied surface structures on Titan. The instruments tracked the inversion of atmospheric circulation at the northern spring equinox and its effects on climate. In addition, Huygens' in situ survey measured a methane mixing ratio of 1.4% above the tropopause, increasing to over 5.5% at 5 km, and remaining constant down to the ground. A new NASA mission, Dragonfly, scheduled for 2028, will land a drone on Titan in 2034 to study the equatorial region in detail. This thesis is a continuation of previous research on Titan's climate and focuses on characterising the methane cycle in the troposphere, using a Global Climate Model (GCM) adapted to Titan. Methane controls Titan's climate through, amongst other things, radiative transfer and the formation of haze and clouds, and conditions the environment in the region where the Dragonfly mission's observations will take place. Understanding the methane cycle in the atmosphere (its sources, sinks and flows) is therefore fundamental to future research on Titan. The first part of this thesis focuses on the development of the Titan GCM, developed since the 1990s at the Laboratoire de Météorologie Dynamique, and renamed the Titan Planetary Climate Model (Titan PCM) during this thesis. A new microphysical cloud model adapted to Titan has been integrated. It takes into account phenomena such as the nucleation and condensation of chemical species present in Titan's atmosphere. In addition, interaction processes between the surface and the atmosphere have been added, making it possible to deal with exchanges between the different reservoirs. This enables to determine the fluxes of the different methane phases (solid, liquid, gas), which control the methane cycle in the troposphere, and to interpret the structures observed (distribution and composition of lakes, clouds and precipitation). This model is also capable of providing climate predictions for the season and region targeted by the Dragonfly mission. After the microphysical developments and the integration of processes linked to the methane cycle, the second part of this study exploits the model results to analyse the seasonal processes in Titan's atmosphere. The model can now predict the mapping of haze and clouds in Titan's atmosphere, as well as characterising these clouds in terms of opacity, drop size and composition. We are able to explain methane fluxes, its sources (surface evaporation) and sinks (precipitation), as well as net fluxes. This work has shown that Titan's troposphere is dominated by the complex interaction between methane, photochemical species, clouds, condensate mist and liquid reservoirs at the surface. In the stratosphere, the climate is mainly dominated by haze and by a strong feedback with atmospheric circulation. The organisation of climate cycles on Titan has also been studied. An analysis of seasonal processes, particularly at the poles, was also carried out, helping to explain the thermal structure of the atmosphere at the winter pole, initiating the formation of HCN clouds at very high altitudes (> 250 km).