BERTRAND
"Préparation et analyses des observations de l'atmosphère et des glaces
de Pluton par la mission NASA New Horizons à l'aide de modèles
numériques de climat".
Mercredi 27 septembre
Rapporteurs:
Rick Binzel
Nathalie Carrasco
Examinateurs:
Bernard Schmitt
Leslie Young
Pascal Rannou
Bruno Sicardy (président du jury)
Directeur de thèse:
François Forget
Co directeur :
Emmanuel Lellouch
*** Résumé
Le 14 juillet 2015, la sonde New Horizons a survolé Pluton et a révélé
un monde glacé débordant d’activité. Pour interpréter les observations,
nous avons développé deux modèles numériques, l’un simulant les
interactions surface-atmosphère des espèces volatiles sur des milliers
d’années, l’autre dédié au climat 3D complet de Pluton. Avec ces
modèles, nous analysons les cycles annuels et paléoclimatiques des
glaces. Nos simulations reproduisent la distribution des espèces
volatiles observées à la surface de Pluton, ainsi que leur abondance
dans l’atmosphère. Nous montrons que l’insolation sur Pluton et la
nature de son atmosphère favorisent la condensation d’azote au fond du
bassin Sputnik Planitia, comme observé. Nous simulons, sur des échelles
de millions d’années, des écoulements glaciaires de la calotte de glace
dans Sputnik Planitia, ainsi que la formation de glaciers de méthane à
l’équateur, des résultats très cohérents avec les observations. Nous
nous intéressons ensuite à l’état de l’atmosphère de Pluton en 2015 avec
le modèle 3D, caractérisant les régimes de vents, formation des nuages,
températures, etc.... Nos derniers résultats mettent en évidence la
sensibilité de la circulation générale à la distribution de la glace
d’azote à la surface et suggèrent une rétro-rotation dans l’atmosphère
de Pluton, induite par les flux de condensation-sublimation de l’azote
dans Sputnik Planitia. Nous montrons également que plusieurs phénomènes
sont à l’origine de la couche limite froide observée dans Sputnik
Planitia. Enfin, en reproduisant les processus qui mènent à la formation
de la brume organique, nous parvenons à expliquer l’extension de la
brume observée au pôle nord.
*** Abstract
On July 14, 2015, the New Horizons spacecraft flew by Pluto and revealed
an active frozen world.
These observations call upon modelling efforts to complete their
analysis and understand the mechanisms at play on Pluto. For this
purpose, we have developed two numerical models of Pluto’s climate: a 2D
model dedicated to the study of Pluto’s surface and a 3D model of
Pluto’s atmosphere. We analyse the annual and paleoclimatic volatile
cycles. Our simulations reproduce the distribution of the volatile
observed on Pluto’s surface and their abundance in the atmosphere. We
show that the solar insolation on Pluto and the nature of its atmosphere
favour the condensation of nitrogen in the Sputnik Planitia basin, as
observed. We simulate the glacial activity of the Sputnik Planitia ice
cap on a timescale of millions of years, as well as the formation of
methane glaciers at the equator. Our results are in agreement with the
observations. We then focus on Pluto’s atmosphere in 2015 with the full
3D model where we performed a comprehensive characterization of the
atmosphere: wind regimes, cloud formation, temperatures etc. ...We
demonstrate the sensitivity of the general circulation to the
distribution of the nitrogen ice on the surface and show that Pluto’s
atmosphere currently undergoes retrograde rotation, induced by the
condensation-sublimation of nitrogen in Sputnik Planitia. We also show
that several phenomena originate at the cold boundary layer observed
deep in Sputnik Planitia. Finally, by reproducing the processes that
lead to the formation of organic haze, we simulate haze transport in the
atmosphere and explain the greater extension of the haze observed at the
north pole.
