Modélisation du cycle des poussières de la planète Mars

Modeling the martian dust cycle

• Auteur / Autrice : Thomas Pierron
• Direction : François Forget, Tanguy Bertrand
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Astronomie et astrophysiquee
• Date : Soutenance le 26/02/2026
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Astronomie et astrophysique d'Île-de-France (Paris ; 1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Dynamique et physique de l’atmosphère et de l’océan (Paris)
• Jury : Président / Présidente : Thomas Gautier
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Luca Montabone, Melinda Kahre
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Michael Battalio, Béatrice Marticorena
• DOI : 10.70675/f13d093fz19acz474bzad33z47d974738c46

Mots clés

Mots clés contrôlés

Mars (planète) -- Atmosphère

Climatologie des planètes

Aérosols atmosphériques

Modélisation des données (informatique)

Mots clés libres

Planétologie

Planète Mars

Aérosols

Planetary Sciences

Aerosols

Planet Mars

Résumé

La poussière joue un rôle central dans le système climatique martien. Son soulèvement, son transport et ses effets radiatifs contrôlent une grande partie de la variabilité atmosphérique saisonnière et interannuelle, et sont à l'origine des tempêtes régionales et globales. Malgré plusieurs décennies d'observations, reproduire le cycle de la poussière martienne, et en particulier les saisons d'apparition et la variabilité interannuelle des tempêtes globales (GDS), reste un défi majeur pour les modèles de circulation générale (GCM). Les modèles actuels peinent à capturer à la fois la structure saisonnière de l'activité poussiéreuse et la diversité des années à tempêtes globales, suggérant que certains processus physiques essentiels demeurent absents ou insuffisamment représentés. Cette thèse étudie les mécanismes physiques qui contrôlent le cycle de la poussière martienne et développe de nouvelles approches de modélisation pour mieux reproduire sa variabilité observée. Le manuscrit débute par une revue des observations de tempêtes de poussière et des modèles existants, mettant en évidence les limites des GCM à basse résolution pour représenter les processus de soulèvement se produisant à petite échelle. Sur cette base, un nouveau modèle du cycle de la poussière est introduit. Il s'appuie sur des simulations GCM pré-calculées à opacité fixe et intègre une hiérarchie de processus de soulèvement sous-maille, comme le soulèvement au niveau des fronts baroclines, au bord de la calotte polaire, au bord des tempêtes, les vents de pente, les dust devils, ainsi que des réservoirs hétérogènes de poussière en surface. Ce modèle est rapide, peu coûteux en calcul, et permet de simuler plusieurs centaines d'années martiennes. Il reproduit avec succès le cycle saisonnier de la poussière et génère une variabilité interannuelle réaliste, avec des GDS apparaissant à différentes saisons comme observé. Deux ingrédients clés se révèlent essentiels : (i) des circulations locales non résolues qui initient le soulèvement, et (ii) la distribution hétérogène de la poussière disponible en surface, représentée par des réservoirs sous-maille à seuils multiples. La thèse examine également des expériences à haute résolution combinant des vents GCM interpolés, des vents de pente et des circulations mésoéchelles diagnostiquées à partir des gradients de poussière. Ces simulations montrent comment les interactions multi-échelles affinent les fronts poussiéreux, renforcent le transport interhémisphérique de poussière à grande échelle et redistribuent la poussière en surface. Des premiers tests de l'intégration des schémas de soulèvement sous-maille dans un GCM pleinement interactif sont présentés. La thèse propose également une réévaluation théorique du mécanisme dit d'« orbit-spin coupling », parfois invoqué pour expliquer la variabilité interannuelle des tempêtes globales de poussière, et montre qu'aucune force inertielle additionnelle agissant sur l'atmosphère n'en découle, les seuls effets résiduels correspondant aux forces de marée classiques. Elle présente enfin une application pratique : un modèle de transfert radiatif pour la poussière déposée sur les panneaux solaires, capable de reproduire l'atténuation de puissance observée sur plusieurs missions martiennes. Dans l'ensemble, ce travail démontre que les processus de petite échelle et la distribution spatiale de la poussière en surface sont essentiels pour reproduire le cycle de la poussière martienne et sa variabilité interannuelle. Il apporte de nouveaux outils, de nouvelles connaissances physiques, et ouvre des perspectives pour les futurs efforts de modélisation et les applications aux missions martiennes.

Dust plays a central role in the Martian climate system. Its lifting, transport, and radiative effects drive much of the seasonal and interannual variability of the atmosphere, including the occurrence of regional and global dust storms. Despite decades of observations, reproducing the observed dust cycle, and in particular the timing and interannual variability of Global Dust Storms (GDS), has remained a major challenge for General Circulation Models (GCMs). Existing models struggle to capture both the seasonal structure of dust activity and the diversity of global-storm years, suggesting that key physical processes may be missing or insufficiently represented. This dissertation investigates the physical mechanisms controlling the Martian dust cycle and develops new modelling approaches to better reproduce its observed variability. The work begins with a review of dust-storm observations and existing modelling efforts, highlighting the limits of coarse-resolution GCMs in resolving the small-scale processes responsible for dust lifting. Building on these insights, a new dust-cycle model is introduced. It relies on pre-computed GCM simulations at fixed dust opacity and incorporates a hierarchy of subgrid-scale lifting processes, including baroclinic-front lifting, cap-edge lifting, storm-edge lifting, slope winds, dust devils, and heterogeneous dust reservoirs. This model is fast, computationally efficient, and able to simulate hundreds of Martian years. It successfully reproduces the seasonal dust cycle and generates realistic interannual variability, with GDS arising at different seasons as observed. Two key ingredients are essential: (i) unresolved local circulations that initiate dust lifting, and (ii) the heterogeneous distribution of dust availability at the surface, represented through multi-threshold subgrid dust reservoirs. The thesis also examines high-resolution experiments combining interpolated GCM winds, slope winds, and mesoscale circulations diagnosed from dust gradients. These simulations illustrate how multiscale interactions sharpen dust fronts, enhance large-scale interhemispheric dust transport, and redistribute surface dust. First tests of the subgrid-scale lifting schemes implemented within a fully interactive dust-resolving GCM are presented. This work also provides a theoretical reassessment of the so-called orbit-spin coupling mechanism, sometimes invoked to explain the interannual variability of global dust storms, and shown here to yield no additional inertial force acting on the atmosphere beyond classical tidal effects. Finally, the dissertation includes a practical application : a radiative-transfer model for dust deposition on solar panels, capable of reproducing the power attenuation observed on several Martian landers and rovers. Overall, this work demonstrates that small-scale processes and the spatial distribution of surface dust are essential to reproducing the Martian dust cycle and its interannual variability. It provides new tools, new physical insights, and new pathways for future modelling efforts and mission applications.