Étude et modélisation des paléoclimats martiens à haute obliquité

Modeling the past environments and ice ages on Mars

• Auteur / Autrice : Joseph Naar
• Direction : François Forget
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Astronomie et astrophysique
• Date : Soutenance le 26/10/2023
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Astronomie et astrophysique d'Île-de-France (Paris ; 1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de météorologie dynamique (Palaiseau ; 1968-....)
• Jury : Président / Présidente : Aymeric Spiga
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Anni Maattanen, Franck Montmessin, Michael Wolff, Sylvain Bouley
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Susan J. Conway, Didier Paillard
• DOI : 10.70675/5bfa1fdfzc4ddz4cafz9345z13b03d3ee14c

Mots clés

Mots clés contrôlés

Climatologie des planètes

Mars (planète) -- Atmosphère

Paléoclimatologie

Mots clés libres

Modélisation numérique

Mars

Physique du climat

Paramétrisations

Paléoclimats

Numerical Modeling

Mars

Climate Physics

Numerical tuning

Paleoclimates

Résumé

La présente thèse s’inscrit dans le projet de recherche européen « Mars Through Time » dont l’objectif est le développement de modèles numérique de climat pour étudier les paléo-environnements martiens. L’accumulation d’observations spatiales et géologiques depuis les années 1970 montre que Mars n’a pas toujours été le désert froid et aride que l’on connait aujourd’hui. En particulier, elle a connu des périodes glaciaires où la planète était couverte de glace jusqu’aux tropiques dans les dernières centaines de milliers d’années de son histoire. A l’image de la Terre, ces âges glaciaires sont déclenchés par les variations des paramètres orbitaux, entraînant des changements climatiques spectaculaires. Les périodes de plus haute obliquité (l’obliquité est l’angle entre l’axe de rotation de la planète et le plan de révolution autour du soleil) correspondent à la mise en place des formations géologiques glaciaires en dehors des régions polaires. Les précédents travaux de modélisation suggèrent que les rétroactions avec le cycle de l'eau provoquent des changements climatiques importants, mais peinent à expliquer la formation d'une couche de glace recouvrant la planète jusqu’aux moyennes latitudes. Le Modèle de Climat Global de Mars est développé en continu au Laboratoire de Météorologie Dynamique. Au début de cette thèse, les multiples implémentations au fur et à mesure des années ont déréglé la représentation du cycle de l’eau actuel tel qu’observé par les missions martiennes, et le modèle est sujet aux instabilités numériques lors des expériences paléoclimatiques. La première partie du travail présenté consiste à recalibrer les différents paramètres liés au cycle de l’eau. De nouveaux processus physiques, en particulier le refroidissement dû à la chaleur latente pour le givre ainsi que la dépendance en température de l’énergie de nucléation des nuages, sont inclus et améliorent le réalisme du cycle de l’eau dans le modèle. L’investigation sur la calibration des paramètres du cycle de l’eau révèle que le modèle est sensible au pas de temps physique d’intégration, en raison du couplage entre les différentes paramétrisations physiques. Le module de microphysique des nuages calcule plusieurs processus indépendants dans un sous-pas de temps dédié. On développe donc dans un deuxième temps un sous-pas de temps adaptatif qui permet un traitement correct du couplage des mécanismes de la microphysique des nuages et une représentation fiable à plus haute obliquité, où le cycle de l’eau est intensifié. On conduit ensuite de nouvelles expériences numériques qui incorporent toutes les améliorations du modèle. L'effet combiné de la chaleur latente et de la représentation de la microphysique des nuages, de second ordre dans le climat actuel, domine à plus haute obliquité et produit un cycle de l'eau cent fois plus intense, dans lequel la glace se déplace durablement des régions polaires vers les moyennes latitudes. L’étude de sensibilité aux variations orbitales et aux rétroactions de l’albédo et de l’inertie thermique de la glace montre que cette transition ne nécessite pas de variation drastique d’obliquité. L’initiation d’un âge glaciaire est possible dans des conditions orbitales datant d’il y a quelques centaines de milliers d’années à peine, en accord avec les observations géologiques. Ce résultat suggère que l’ensemble des études paléoclimatiques de la communauté est à reprendre, puisque l’effet radiatif des nuages de glace d’eau et la chaleur latente de la glace n’étaient pas modélisés. Des simulations à plus haute obliquité sont menées et révoquent les scénarios existants des changements climatiques martiens récents. Par la compréhension accrue des rétroactions climatiques internes et de l’évolution de l’emplacement des réservoirs d’eau avec les variations orbitales, les travaux menés offrent des perspectives prometteuses quant à la compréhension de l’histoire de l’évolution du climat de Mars.

This thesis is part of the European research project ''Mars Through Time,'' which aims at developing numerical climate models to study Martian paleoenvironments. The accumulation of geological observations through spatial missions since the 1970s reveals that Mars was not always the cold, arid desertic planet we know. Specifically, it has experienced glacial periods when the planet was covered by a water ice mantle all the way to the tropics within the last hundreds of thousands of years of its history. Just like on Earth, these glacial periods are triggered by variations in orbital parameters, leading to dramatic climate changes. Periods of higher obliquity (obliquity is the angle between the planet's rotation axis and the plane of revolution around the sun) correspond to the formation of glacial geological features outside of polar regions. Previous modeling work suggest that the feedback between the water cycle and other components of the climate system causes significant climate changes but somewhat fails to adress the deposition of a mid-latitude ice mantle covering the planet. The Mars Global Climate Model is continuously developed at the Laboratoire de Météorologie Dynamique. At the beginning of this thesis, multiple implementations over the years disrupted the representation of the present-day water cycle as retrieved by Martian missions, and the model was subject to numerical instabilities during paleoclimate experiments. The first part of the presented work consists in tuning the parameters related to the water cycle. New physical processes, especially the latent heat cooling of surface ice sublimation and the temperature dependence of cloud nucleation, are included and improve the realism of the water cycle in the model. The tuning of the water cycle parameters revealed that the model is sensitive to the physical integration time step due to the coupling between various physical parameterizations. The cloud microphysics module computes multiple independent processes in a dedicated sub-time step. Therefore, in a second part of this work, an adaptive sub-time step is developed, allowing for proper treatment of the coupling of cloud microphysics mechanisms and reliable computation in higher obliquity experiments, in which the water cycle intensifies. Subsequent numerical experiments are conducted, incorporating all model improvements. The combined effect of latent heat and enhanced cloud microphysics, neglectable in the present-day climate, dominates at higher obliquity and results in a water cycle one hundred times more intense, with ice permanently moving from polar regions to mid-latitudes. Sensitivity studies on orbital variations and feedback from albedo and ice thermal inertia show that this transition does not require a drastic obliquity change. The initiation of an ice age is possible under orbital conditions dating back only a few hundred thousand years, in agreement with geological observations. This result suggests that the all the existing paleoclimates studies need to be revisited, as the radiative effect of water ice clouds and latent heat of ice were not previously modeled in any climate model. Simulations at higher obliquity are conducted and challenge existing scenarios of recent Martian climate changes. With an enhanced understanding of internal climate feedbacks and the evolution of water reservoir locations with orbital variations, this research offers promising prospects toward understanding the history of Mars' climate evolution.