BARDET
20 septembre 2021
Modélisation de la dynamique atmosphérique de la stratosphère de Saturne"
M. François LOTT (Président du jury) Directeur de Recherche - CNRS
M. Peter READ (Rapporteur) Professeur - Université d'Oxford
M. Thibault CAVALIE (Rapporteur) Chargé de recherche - CNRS
Mme Itziar GARATE LOPEZ (Examinatrice) Enseignante chercheuse - Universidad del Pais Vasco
Mme Gabriella GILLI (Examinatrice) Chercheuse associée - Instituto de Astrofísica e Ciências do Espaço
M. Aymeric SPIGA (Directeur de thèse) Maître de conférence - Sorbonne Université
Mme Sandrine GUERLET (Co-Directrice de thèse) Chargée de recherche - CNRS
Résumé :
À l’issu de la mission Cassini-Huygens, avec le support des observations depuis l’orbite terrestre,
l’atmosphère de Saturne se révèle très active, structurée en jets en bande alternés, avec des épisodes
de convection intenses, perturbée par des ondes et de la turbulence, avec une oscillation équatoriale
stratosphérique de température ainsi que des variations thermiques et de concentration en hydrocar-
bures suggérant un transport méridien de grande échelle. Malgré de nombreuses années d’observation
et de modélisation de son atmosphère, la dynamique globale de Saturne reste mal connue notam-
ment parce que peu d’études sur les interactions multi-échelles de la dynamique abordent l’émergence
de tels phénomènes pour les géantes gazeuses. Dans cette thèse, un point de vue de mécanique des
fluides géophysiques pour interpréter les observations astrophysiques de Saturne est adopté à l’aide
d’un modèle de climat global à haute résolution horizontale. Les simulations obtenues avec ce modèle
reproduisent des jets en bande alternés dans la troposphère respectant un régime zonostrophique ainsi
qu’une oscillation équatoriale de température et de vent influencée par l’ombre des anneaux, main-
tenue par le cycle saisonnier et surtout résultante d’interaction entre les ondes d’échelle planétaire
résolues par le modèle et l’écoulement moyen. Ces premières simulations à résolution verticale assez
restreinte échouent à stabiliser la périodicité de l’oscillation équatoriale et sont défavorables au for-
çage vers l’est par les ondes, provoquant une phase prograde bien inférieure à la phase rétrograde,
ce qui est en contradiction avec les observations. Avec l’augmentation de la résolution verticale de la
stratosphère modélisée, il est possible de pallier ce manque de quantité de mouvement prograde dans
les hautes couches de l’atmosphère de Saturne. Ainsi, la phase vers l’est de l’oscillation équatoriale
s’est renforcée et la périodicité s’est stabilisé grâce à une meilleure représentation d’une circulation
inter-hémisphérique saisonnière en inter-connexion avec le changement de phase de l’oscillation. Par
ailleurs, cette circulation de grande échelle influence également les latitudes plus élevées par trans-
port de quantité de mouvement mais également par transport thermique. La branche descendante
principale de la circulation inter-hémisphérique est située dans l’hémisphère d’hiver sous l’ombre des
anneaux de Saturne et permet une accumulation de chaleur par compression adiabatique aux tropiques
d’hiver, ce qui est cohérent avec les anomalies de température chaudes relevées dans les observations
de Cassini. Cependant, les moyennes et hautes latitudes de la stratosphère de Saturne sont également
sujettes à des cellules de circulation provoquant systématiquement des anomalies chaudes persistantes
sur l’ensemble de l’année entre 40 et 60°, qui ne trouvent pas d’équivalent dans les observations. Enfin,
en enrichissant le spectre d’ondes atmosphériques présentes dans le modèle par l’implémentation d’une
paramétrisation stochastique d’ondes de gravité non-orographiques, les simulations à basse résolution
verticale dépeignent une structure de vent et de température équatoriale qui s’éloigne d’une oscillation
équatoriale, en détruisant la phase vers l’est ou en arrêtant la propagation vers le bas dans les plus
hautes couches de l’atmosphère. De même les simulations à haute résolution verticale ne montrent pas
d’amélioration significative de la structure du vent zonal et de la température équatoriale lorsque de
telles ondes sont considérées. Le rôle des ondes de gravité méso-échelle dans le forçage de l’oscillation
équatoriale modélisée de Saturne semble moindre par rapport au rôle du cycle saisonnier à travers la
circulation inter-hémisphérique, sine qua non d’une fine discrétisation verticale.
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Summary
At the end of the mission Cassini-Huygens, with the support of Earth based observations, Saturn’s
atmosphere reveals a very active dynamics, with alternating banded jets, intense convection episodes,
disturbed by waves and turbulence, with a stratospheric equatorial oscillation of temperature as well as
thermal and hydrocarbon concentration variations suggesting a large-scale meridional transport. Des-
pite many years of observation and modeling of its atmosphere, the global dynamics of Saturn remains
poorly understood, in particular because few studies on the multi-scale interactions of the dynamics
address the emergence of such phenomena for gas giants. In this thesis, a geophysical fluid mechanics
point of view to interpret the astrophysical observations of Saturn is adopted using a global climate
model with high horizontal resolution. The simulations obtained with this model reproduce alternating
banded jets in the troposphere respecting a zonostrophic regime as well as an equatorial oscillation of
temperature and wind influenced by the rings shadow, maintained by the seasonal cycle and especially
resulting from interaction between the planetary scale waves resolved by the model and the mean flow.
These first simulations with a limited vertical resolution fail to stabilize the periodicity of the equatorial
oscillation and are unfavorable to the eastward forcing by the waves, causing a prograde phase much
lower than the retrograde phase, which is in contradiction with the observations. With the increase
of the vertical resolution of the modeled stratosphere, it is possible to overcome this lack of prograde
momentum in the upper layers of Saturn’s atmosphere. Thus, the eastward phase of the equatorial
oscillation has been strengthened and the periodicity has stabilized thanks to a better representation
of a seasonal inter-hemispheric circulation in inter-connection with the phase change of the oscillation.
Moreover, this large-scale circulation also influences higher latitudes by momentum transport but also
by thermal transport. The main downward branch of the inter-hemispheric circulation is located in
the winter hemisphere under the shadow of Saturn’s rings and allows heat accumulation by adiabatic
compression in the winter tropics, which is consistent with the warm temperature anomalies found
in the observations of Cassini. However, the middle and high latitudes of Saturn’s stratosphere are
also affected by circulation cells systematically causing persistent warm anomalies over the whole year
between 40 and 60°, which is inconsistent with observations. Finally, by enriching the spectrum of
atmospheric waves present in the model through the implementation of a stochastic parameterization
of non-orographic gravity waves, the low vertical resolution simulations depict an equatorial wind and
temperature structure that departs from an equatorial oscillation, destroying the eastward phase or
stopping the downward propagation in the highest layers of the atmosphere. Similarly, high vertical
resolution simulations do not show significant improvement in the zonal wind structure and equatorial
temperature when such waves are considered. The role of mesoscale gravity waves in forcing the
modeled equatorial oscillation of Saturn seems less compared to the role of the seasonal cycle through
the interhemispheric circulation, sine qua non of a thin vertical discretization.
