Rapport d’activit 1998-2000

Frdric Hourdin March 29, 2001

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Chapter 1

Introduction

Aprs des travaux centrs sur l’tude de la circulation gnrale des atmosphres plantaires, mon travail de recherche s’est concentr ces deux dernires annes sur

l’tude et la modlisation numrique du transport atmosphrique d’espces traces.

Les couplages entre chimie, physique des arosols et transport atmosphrique occupent une place croissante dans l’tude des atmosphres plantaires. Pour la Terre, il s’agit notamment de dvelopper des modles de circulation gnrale prenant en compte de faon interactive la chimie des gaz effet de serre ou les arosols. Sur Mars, les poussires souleves de la surface jouent un rle dterminant et encore mal compris sur la circulation atmosphrique. Enfin, les couplages complexes entre la photochimie, la microphysique des brumes et la circulation atmosphrique sera bientt place sous le l’oeil perant de la mission Amricano-Europenne Cassini-Huygens.

Si les objets tudis sont diffrents, de nombreux aspects concernant notamment le transport atmosphrique, sont communs. Les outils pour les aborder peuvent galement tre similaires.

En 1997, suivant une ide de Sandrine Edouard et Bernard Legras, j’ai adapt au modle de circulation gnrale LMD-Z, un schma de transport en volume fini. Ce travail a t l’origine du dveloppement d’une version transport du modle de circulation gnrale du LMD. Ce modle, LMD-ZT, sert prsent d’ossature aux modles coupls chimie-arosols-climats en cours de dveloppement l’IPSL. J’ai rcemment travaill galement sur la reprsentation du transport dans la couche limite convective.

En parallle, la suite d’une demande du CEA concernant la surveillance des traits d’interdiction totale des essais nuclaires, je me suis intress rcemment l’inversion du transport atmosphrique.

Enfin, j’ai continu m’intress aux autre plantes, et notamment Titan, en coordonnant autour du modle de circulation du LMD, les travaux mens sur la chimie au CESR Toulouse et sur la micro-physique des brumes au Service d’Aronomie Paris.

Ces diffrents aspects sont dvelopps ci-dessous.

4 CHAPTER 1. INTRODUCTION

Advection grande chelle des traceurs et dveloppement de LMD-ZT

2.1 Les schmas de transport en volume finis

En 1997, en collaboration avec Alexandre Armengaud alors en thse au LGGE, j’ai adapt au modle du LMD une srie de schmas d’advection en volumes finis. Les schmas en volumes finis sont bass sur une partition du domaine considr en volumes de contrle au frontires desquels on value les flux entrants ou sortants de traceurs. Nous avons ensuite effectu une comparaison systmatique d’une srie de schmas [?, ] porposs l’origine par [?, ]. Ces schmas conduisent facilement une mise en oeuvre tri-dimensionnelle et satisfont des proprits physiques fondamentales du transport: localit, conservation, monotonie, positivit (plus gnralement pas de cration d’extrma numriques) et invariance par addition d’une constante au champ de traceur.

[?] avait en fait propos une hierarchie de schmas dont les plus sophistiqus ont t introduit ultrieurement et indpendamment dans la communaut mtorologique par [?] (schma de ”pentes” du GISS) et [?]. Nous avons pu montrer que ces diffrents schmas taient en fait assez semblables ds lors qu’on les comparait non pas rsolution spatiale fixe mais cot numrique quivalent (un schma plus prcis mais plus coteux se comporte comme un schma moins prcis mais utilis sur une grille plus fine). Nous avons retenu pour le modle du LMD le schma le plus simple (le schma I dans le papier original de Van Leer souvent appel MUSCL).

La priode couverte par le prsent rapport d’activit correspond la finalisation de la publication sur le test des schmas et les travaux sur le dveloppement et la validation de LMD-ZT prsents ci-dessous.

2.2 Dveloppement de LMD-ZT

Ce travail sur les schmas d’advection a t l’origine de la version traceur du modle de circulation gnrale LMD-ZT. Ce modle est dot de la capacit de transporter un nombre arbitraire d’espces traces. En pratique, il a fallu d’une part rajouter le schma de transport grande chelle dans la ”partie dynamique” du modle de circulation mais galement traiter l’effet du mlange turbulent ou de la convection sur la distribution des espces traces. Ce dernire partie a t effectu par Olivier Boucher et Alexandre Armengaud. Marie-Angle Filiberti, en CDD a l’IPSL, a contribu finaliser, sous ma responsabilit, la version distribue de ce modle.

6CHAPTER 2. ADVECTION GRANDE CHELLE DES TRACEURS ET DVELOPPEMENT DE LMD-ZT

Figure 2.1: Organigramme du modle LMD-ZT

LMDZ-ZT a t conu de faon trs modulaire de faon pouvoir y rajouter facilement des codes de chimie ou des modules d’arosols. En pratique, une interface vers les modules chimiques a t dfinies dans la ”partie physique” du modle de circulation. L’organisation de cet outil est rsume sur l’organigrame, Fig. 2.1.

Ce modle est destin avant tout a des tudes climatiques couples dans lesquelles les distributions d’espces chimiques ou d’arosols rtroagissent sur les variables mtorologiques. Cependant, notamment pour le dveloppement et la validation, il est intressant de disposer de versions ”dbranches” (off-line) du modle et de pouvoir forcer la situation mtorologique a suivre au plus prs les analyses.

Le modle a donc t conu de faon pouvoir dbrancher la mtorologie. Les interfaces entre les parties mtorologiques et traceurs ont t clairement identifies. En mode ”branch”, on passe chaque pas de temps les flux de masse pour le transport grande chelle ou les coefficients de mlange turbulent pour la partie physique. On peut galement stoker ces coefficients sur des fichiers (en pratique, on est oblig de les cumuler sur quelques heures) qui peuvent alors tre relus pour effectuer moindre cot des simulations de transport dbranches.

Pour le forage par des ranalyses, on a principalement utilis jusque-l la mthode dite du ”nudging”: on relaxe simplement les champs grande chelle vers les analyses. Nous testons egalement actuellement avec Marine Bonazzola une alternative dans la quelle on ”assimile” les analyses dans le modle avec des mthodes variationnelles.

La version dbranche et ”nudge” s’apparente finalement un modle de type CTM (Chemistry-Figure 2.2: Exprience ETEX-1. Concentrations de PMCH (en ng/m^{3}) observes ( gauche) et simules ( droite) t_{0} + 48 h. Les simulations sont effectues avec le modle LMD-ZT en version dbranche et nudge vers les analyses du Centre Europen pour les Prvisions Mtorologiques Moyen Terme. Ce panache rsulte de l’mission sur 12h de 340 ng de perfluroro-mthyl-cyclo-hexane depuis le sommet d’une chemine prs de Brest par fort flux d’ouest. Le panache observ 48 h aprs l’mission est reconstitu partir de la mesure en 168 stations rparties en Europe. Les simulations ont t effectues par Abderrahmane Idelkadi.

Transport Model). Mais, alors que dans les CTM la mtorologie est en gnral directement issue des ranalyses, on effectue ici une premire simulation mtorologique nudge. Cette approche offre l’avantage de pouvoir extraire des paramtrisations physiques du modles tous les paramtres jugs ncessaires pour le transport des espces traces.

2.3 Application des calculs de dispersion atmosphrique

Comme nous l’expliquons ci-dessous, nous avons dvelopp avec le CEA une collaboration concernant la dtection des essais nuclaires partir de mesures de la composition atmosphrique par un rseau de station. Dans ce cadre, nous avons effectu un certain nombre d’tudes relative la dispersion de sources de pollution ponctuelles.

Nous avons notamment tudi le cas trs bien document de la campagne Europenne ETEX (European Transport Experiment). Nous avons pu montrer que le modle LMD-ZT, avec une maille d’une centaine de kilomtres sur l’Europe, se comparait de faon trs satisfaisante aux modles de rfrence dans le domaine [?, ]. Ce travail de validation est au coeur de la thse qu’Abderrahmane effectue sous ma direction au LMD.

Nous avons galement effectu avec ce modle une simulation quasiment en temps rel (avec 4 ou 5 jours de retard) de la dispersion atmosphrique correspondant l’accident nuclaire de ”criticit” de septembre 1999 au Japon [?].

8CHAPTER 2. ADVECTION GRANDE CHELLE DES TRACEURS ET DVELOPPEMENT DE LMD-ZT

Paramtrisation en flux de masse de la couche limite convective

Je me suis intress ces deux dernires annes la ”paramtrisation” du transport dans la couche limite convective. Le transport turbulent dans la couche limite plantaire est essentiel notamment pour toutes les espces traces ayant des sources et puits en surface (vapeur d’eau, CO_{2}, espces souffres, arosols). Les dveloppements rcents dans les modles de climat se sont beaucoup concentrs sur la reprsentation de la convection humide profonde, utilisant notamment des schmas dits ”flux de masse” dans lesquels on explicite des flux ascendants, souvent intenses et concentrs, et des flux compensatoires dans la colonne convective ou dans l’environnement.

Comparativement, les paramtrisations utilises pour la couche limite restent souvent rudimentaires. Elles sont la plupart du temps bases sur des adaptations de formulations locales. On entend par l que le flux vertical turbulent d’une quantit q ne dpend que des caractristiques locales de l’coulement (en pratique ce flux est gnralement calcul comme le produit du gradient vertical local de q par un coefficient de mlange turbulent K ne dpendant lui-mme que des conditions mtorologiques locales). On sait depuis longtemps que cette vision visqueuse de la turbulence est incapable de rendre compte d’un certain nombre de phnomnes atmosphriques et notamment du transport de chaleur en remontant le gradient (du froid vers le chaud) trs souvent observ dans la couche limite convective. Depuis longtemps, cette difficult est contourne dans les modles de circulation gnrale en utilisant un ”contre-gradient” [?, ]: au lieu d’utiliser directement le gradient vertical de la temprature potentielle θ dans le calcul du flux, on soustrait ce gradient une valeur qui permet d’avoir un flux de chaleur vers le haut, mme dans une atmosphre lgrement stable.

Des dveloppements rcents [?, ?, ?, ] fournissent une base physique l’introduction de ce contre-gradient, montrant qu’il est directement li l’existence de structures mso-chelles dans la couche limite convective. Cette interprtation permet d’introduire cette composante non-locale non seulement pour la temprature, mais galement pour la vapeur d’eau et les espces traces en gnral.

[?] avait soulign l’importance des aspects non locaux du transport vertical dans la couche limite et propos un formalisme gnral bas sur des matrices d’changes (matrices de ”transilience”) pour traiter ce problme. [?] ont propos une forme particulire de matrice de transilience reconnaissant une dissymtrie importante entre des acendances concentres (les ”thermiques” qui font la joie des planeurs et autres engins volants) et des subsidence compensatoires plus lentes. Dans la 10CHAPTER 3. PARAMTRISATION EN FLUX DE MASSE DE LA COUCHE LIMITE CONVECTIVE

Figure 3.1: Profiles verticaux de temprature potentielle virtuelle et de vapeur d’eau pour le 8 aout 1998. Fig. ??

paramtrisation de [?], la premire couche du modle atmosphrique change de l’air directement avec toutes les autres couches dans la couche limite convective alors que la subsidence est reprsente par des changes entre chaque couche et la couche directement en-dessous. Les considrations ayant conduit ce schma sont en fait relativement proches de celles qui ont conduit la drivation de schmas ”flux de masse” pour la convection profonde.

C’est dans ce contexte que nous avons propos une nouvelle paramtrisation de la couche limite convective base sur une reprsentation en flux de masse des ”thermiques”. Sans entrer dans le dtail, on dtermine pour chaque couche instable (surmonte par de l’air plus froid en terme de temprature potentielle virtuelle), un profil vertical de vitesse ascendante base sur la flotabilit d’une parcelle d’air entraine depuis cette couche en conservant sa temprature potentielle. Ces calculs sont ensuite utiliss pour dcrire une ascendance (le thermique) alimente en air par les couche instables prs de la surface, et compense par une subsidence plus lente dans l’environnement. Ce schma tient compte de la structure gomtrique de ces cellules convectives, notamment pour relier vitesses verticales et flux de masse.

Ce schma a t test (en pratique lors de stages de licence, maitrise et DEA) sur diffrentes campagnes d’observation dans une version uni-colonne du modle de circulation. En particulier, nous avons montr, pour la seconde priode d’observation intensive (POI2) de la campagne ES-QUIF (d’tude de la qualtit de l’air en Ile-de-France), que ce modle tait capable de rendre compte de faon trs satisfaisante du cycle diurne de la couche limite dans un contexte de couche limite convective sche et sans nuages, correspondant un pisode trs chaud de l’t 1998 (Fig. ??). Ce travail a t somis pour publication au J. of Atmosph. Sci. [?]

Inversion du transport atmosphrique

4.1 Principe

Le troisime vollet de ce travail concerne l’inversion du transport atmosphrique et a t initi suite une demande du CEA. Dans le cadre des Traits d’Interdiction Complte des Essais nuclaires (TICE), la communaut internationale prvoit le dploiement de rseaux globaux de surveillance. La surveillance des ondes sismiques, hydroactoustiques ou infra-sonores devrait permettre de localiser relativement bien les explosions pour des essais effectus respectivement sous terre, dans la mer ou dans l’atmosphre. En parallle de ces trois technologies, il est prvu de dployer un rseau global de 80 stations qui mesurera en permanence la concentration en radio-lments dans l’atmosphre. Toutes ces stations dtecterons les arosols radioactifs. Un sous-rseau de 40 stations dtectera galement les gaz nobles (notamment le Xenon) qui ont l’avantage d’tre relachs en quantit significative dans l’atmosphre mme lors d’essais sous-terrains ou sous-marins.

La question qui nous tait pose par le CEA tait l’valuation de la capacit de dtection de ce rseau. A l’poque (t 1997), nous disposions d’une premire version de LMD-ZT. Une approche simple directe aurait consist simuler des essais nuclaires en injectant un traceur en chaque point du maillage du modle et en comptabilisant le nombre de dtections. On voit vite qu’une telle approche conduit des cots informatiques inaccessibles. A la suite de discussions avec Robert Sadourny (LMD) et Jean-Pierre Issartel (CEA), nous nous sommes convaincus que ce problme pouvait tre abord en inversant le sens du temps dans notre modle de transport.

L’ide n’est pas nouvelle. De nombreuses tudes ont utilis des rtro-trajectoires pour interprter des mesures de concentrations atmosphriques partir de l’histoire de la masse d’air chantillone au niveau du detecteur [?, ?, ?, ]. Mais ces tudes ont toujours t bases sur des calculs lagrangiens de rtro-trajectoires. Or, dans une telle approche, il est difficile de rendre compte proprement du mlange turbulent ou de la convection. Ces inversions se sont donc gnralement limites un aspect qualitatif.

Cette dissymtrie entre un traitement eulrien, gnralement retenu pour les simualtions directes, et un traitement lagrangien du rtro-transport tait sans doute consciemment ou inconsciemment dicte par l’impossibilit qu’il y a inverser dans le temps la dispersion atmosphrique. On sait en effet que l’intgration rebours dans le temps d’une quation d’advection diffusion n’admet pas de solution unique. Mais la question physique pose par l’inversion n’est pas celle-l. On veut dterminer la rpartition gographique de l’air qui a t rassembl un moment au niveau d’un dtecteur. Et cette origine sera d’autant plus diffuse dans le pass que le mlange aura t intense dans le monde direct. La mme diffusion peut en fait tre applique pour le calcul de panaches directs et rtro.

En fait, pour un traceur parfait (dont les trajectoires se confondent avec celles de l’air) toute l’information est contenue dans des coefficients d’change dfinis pour deux volumes S (Source) et D (Dtecteur) et deux instants t_{s} et t_{d} quelconques, comme le rapport entre la masse d’air change entre (S, t_{s}) et (D, t_{d}) et le produit des masse d’air dans chacun des deux volumes:

ϵ(S, t_{s}, D, t_{d}) = \frac{Mex(S, t_{s}, D, t_{d})}{M(S, t_{s})M(D, t_{d})}  (4.1)

Ce coefficient est videmment symtrique puisque la masse d’air change correspond simplement un dcompte des trajectoires atmosphriques passant par ces deux volumes espace-temps. ϵ peut tre interprt indiffremment comme la concentration massique (par exemple en kg/kg) au niveau du dtecteur pour un traceur unit (par exemple 1 kg) inject au niveau de la source ou comme la concentration massique au niveau du volume source d’un traceur injects dans le volume D et suivi en remontant dans le temps les trajectoire atmosphrique de t_{d} t_{s}.

D’un point de vue mathmatique, on peut crire ϵ(S, t_{s}, D, t_{d}) = ξ̄_{S,t_{s}}^{D,t_{d}} = ξ̄^{∗}_{D,t_{d}}^{S,t_{s}} o ^{ ¯ V,t} est la moyenne dans le volume V au temps t, et ξ_{S,t_{s}} et ξ^{∗}_{D,t_{d}} sont solutions des quations suivantes :

\frac{∂ξ_{S,t_{s}}(x⃗, t)}{∂t} + V⃗ .g⃗rad ξ_{S,t_{s}}(x⃗, t) + λξ_{S,t_{s}}(x⃗, t) − \frac{1}{ρ} \frac{∂}{∂z} (ρK \frac{∂ξ_{S,t_{s}}(x⃗, t)}{∂z}) = σ_{S,t_{s}}(x⃗, t) (4.2)

pour le transport direct et

−\frac{∂ξ^{∗}_{D,t_{d}}(x⃗, t)}{∂t} −V⃗ .g⃗rad ξ^{∗}_{D,t_{d}}(x⃗, t)+λξ^{∗}_{D,t_{d}}(x⃗, t)− \frac{1}{ρ} \frac{∂}{∂z} (ρK \frac{∂ξ^{∗}_{D,t_{d}}(x⃗, t)}{∂z}) = σ_{D,t_{d}}(x⃗, t) (4.3)

pour le rtro-transport.

V⃗ est le champ de vent (suppos connu; la mtorologie n’est pas inverse) et σ_{V,τ} (x⃗, t) vaut δ(t − τ)/M(V, τ) pour x⃗ dans le volume V (δ est un dirac) et 0 en dehors de V. λ est un coefficient correspondant un puits linaire (dcroissance radioactive, taux de lessivage, ...) et K est le coefficient de mlange turbulent (notons que, pour les paramtrisations en flux de masse, on inverse le transport en remplacant par exemple les ascendances concentres par des subsidences). ξ^{∗}_{D,t_{d}}(x⃗, t) s’interprte comme la concentration de l’air qui va se rassembler dans B t_{d}.

Aprs nous tre convaincu, partir de considrations physiques, qu’on pouvait ainsi inverser le sens du temps dans la partie ”advection” du modle tout en conservant le signe de la diffusion et des facteurs d’atnuation, nous nous sommes rendu compte qu’il existait un lien fort entre cette extention du rtro-transport et les mthodes adjointes. En effet, les deux quations ci-dessus sont adjointes l’une de l’autre pour le produit scalaire < ϕ, ψ >= ∫_{R^{4}} ϕψdx⃗dt.

4.2 Tests numriques

La Fig. 4.1 montre un test numrique de cette rciprocit du transport atmosphrique sur la campagne ETEX. Plus prcisment, on a trac pour neufs des stations, la concentration observe au cours des 72 heures de la campagne et la concentration simule avec les approches directe et rtro. Pour les calculs inverses, les coefficients d’change sont d’abord calculs en injectant continuement sur 3 heures (Δt) partir de t_{k} = t_{0} + kΔt un traceur unit pour chaque station D_{i}. Le transport Figure 4.1: Evolution temporelle de la concentration observe (courbe grasse) et simule (courbe fine) de PMCH (ng/m^{3}) pour neuf stations de l’exprience ETEX-1. Les tirets correspondent la simulation utilisant la technique inverse.

est calcul rebours dans le temps jusqu’ t_{0}. Pour chaque couple (i, k), on conserve le coefficient d’change χ_{i,k}, valeur moyenne entre t_{0}+12 h et t_{0} de la concentration du traceur dans la maille de Monterfile (d’o a t mis le PMCH). Finallement, la concentration “retro” montre sur la Fig. 4.1 (pointills) est simplement cretro_{i}(t_{k}) = q × χ_{i,k}.

Comme on l’a dit plus haut, l’accord entre observations et simulations directes est comparable aux meilleures simulations prsentes dans les tudes d’intercomparaison [?, ?, ]. Cependant, ce qui nous intresse ici, c’est l’excellent accord entre les estimations directe et inverse. Les lgres diffrences sont d’ordre numrique, et lies notamment la violation de la symtrie par le “limiteur de pentes” non linaire qui permet de garantir la monotonie du schma d’advection [?, ]. A noter qu’il n’y a pas de raison pour privilgier a priori l’une des deux estimations numriques.

4.3 Applications

Nous avons bien sr appliqu cette approche l’valuation de l’effacticit des rseaux TICE [?]. Dans ce cas, l’approche inverse permet de remplacer tous les lieux possibles d’explosions par seulement 80 points: les stations. On fait donc comme si l’essai avait lieu la station. On injecte l’quivalent xenon d’une explosion de 1 kt quivalent TNT (spcifications du TICE) au niveau du dtecteur D. On remonte le temps avec le modle LMD-ZT et on dit qu’il y a dtction par le dtecteur D d’un essai effectu en un lieu S du globe si la rtroconcentration en S dpasse le seuil de dtection. La Fig. ?? montre des cartes de probabilit de dtection reconstitues partir de tels calculs effectus partir d’un grand nombre de situtations mtorologiques pour les mois de janvier et Juillet (original en couleur).

L’ensemble de ce travail a t ralis en collaboration troite avec Jean-Pierre Issartel (CEA), Figure 4.2: Cartes de probabilit de dtection (a, %) d’essais sub-surface par le rseau gaz nobles (en pratique partir de la dtection du ^{133}Xe) pour les mois de juillet et janvier. Les points correspondent aux emplacements des 80 stations du rseau TICE et, parmi eux, les points gris correspondent aux stations gaz nobles. Les cartes du bas (b) correspondent aux nombre moyen de stations dtectant un essai.

Bertand Cabrit (Xeres) et Abderrahmane Idelkadi. Au del des aspects nuclaires, cette approche de l’inversion du transport devrait pouvoir tre applique de nombreux problmes inverses, en particulier pour des traceurs linaires. C’est le cas par exemple de l’inversion des sources et puits de CO_{2} et nous collaborons actuellement en ce sens avec l’quipe de Phillipe Ciais au LSCE.

4.4 Modlisation du climat de Titan

Titan, plus gros satellite de Saturne, possde comme la terre une atmosphre dense d’azote. La photo-dissociation de l’azote molculaire et du mthane dans la haute atmosphre initie une photochimie impliquant notamment des hydrocarbures et des nitriles. Une dizaine de molcules diffrentes ont d’ores et dj t identifies dans son atmosphre. La polymrisation des plus grosses molcules produit des brumes oranges qui voilent l’ensemble de la surface. Cette atmosphre est donc particulirement intressante car elle reprsente une exprience grandeur nature du dveloppement d’une chimie complexe en l’absence de vie.

L’atmosphre de Titan est galement trs intressante d’un point de vue dynamique. Avec un rayon de 2500 km, une priode de rotation de 16 jours terrestres et des vents zonaux d’ouest de l’ordre de 100 150 m/s, la stratosphre de Titan tourne environ 10 15 fois plus vite que la plante solide. C’est du moins ce que prdisent les simulations de la circulation atmosphrique [?, ].

La sonde amricaine Cassini, en route vers le systme de Saturne, emporte la sonde europenne Huygens qui descendra pendant 3 heures dans cette atmosphre encore mystrieuse, en 2005. La prparation de cette mission a motiv, notamment en France sous l’impulsion de Daniel Gautier et Franois Raulin, le dveloppement d’tudes thoriques et numriques concernant la fois la chimie, la micro-physique et la dynamique de l’atmosphre de Titan. Ces efforts, dvelopps au dpart sparment (respectivement au CESR Toulouse, au SA Paris et au LMD), ont t regroups ces dernires annes pour btir un modle complt du climat de Titan avant l’arrive de la mission.

On sait que les couplages entre chimie, microphysique et dynamique sont particulirement importants dans l’atmosphre de Titan. Les espces chimiques observes par Voyager en 1981 montraient par exemple des contrastes latitudinaux trs marqus, avec des enrichissement pouvant atteindre un facteur dix dans la rgion polaire nord qui sortait alors de l’hiver. De mme, les variations saisonnires de l’albdo global de Titan, enregistres depuis la terre, ont t interprtes comme la signature de variations saisonnires de la rpartition des brumes. Les brumes taient aussi responsables d’un contraste hmisphrique marqu entre les deux hmisphre au moment de la rencontre avec Voyager.

Or une partie des espces chimiques et les brumes ont un impact non ngligeable sur le bilan radiatif dans la stratopshre de Titan [?, ].

Les tudes sur la dynamique de l’atmosphre de Titan avaient t jusque-l menes au LMD avec le modle de circulation tri-dimensionel. Mais ce modle est extrmement lourd en temps de calcul. Nous avons donc dcid de dvelopper un modle de climat partir d’une version 2D latitudealtitude du modle de circulation. Ce modle est une restriction une longitude du modle 3D. Il prend en compte de faon explicite la composante axi-symmtrique de la circulation gnrale. En revanche, l’effet des ondes transitoires sur la circulation moyenne doit tre paramtr. Les tudes tri-dimensionnelles ont montr que les ondes jouaient un rle fondamental dans l’tablissement et le maintien de la superrotation de l’atmosphre. Ces ondes, essentiellement barotropes, se dveloppent principalement vers 150-300 km d’altitude sur le ct du jet stratosphrique le plus proche de l’quateur. Ces ondes ont pour origine l’instabilit barotrope de ce jet, elle-mme cre [width=16cm]/d2/hourdin/TITAN/FIGSEBASTIEN/varlat_{Z}50_{8}10.epsi

Figure 4.3: Profils latitudinaux de la concentration des espces chimiques observes par Voyager. Les croix correspondent aux observations. Les tirets au rsultats du modle de chimie-transport. Ce modle inclue une quarantaine d’espces chimiques. Le transport prend en compte la circulation mridienne moyenne et une paramtrisation du mlange latitudinal par les ondes transitoires. Les pointills correspondent des simulations avec des traceurs idaliss pour lesquels le calcul des ractions chimiques est remplac par une relaxation vers un profil vertical. Profil de rappel et temps de relaxation sont estims partir du modle photochimique complet. Dans ces simulations, le forage saisonnier n’intervient qu’au travers des modifications de la circulation mridienne. C’est le fait que le profil de rappel croisse fortement verticalement, coupl au transport mridien, qui explique l’enrichissement en espcess chimiques dans l’hmisphre nord : cet hmisphre sort alors de l’hiver, saison pendant laquelle l’air descendait dans cette rgion.

par le transport de moment cintique par la circulation mridienne. Jusqu’ prsent, l’effet de ces ondes est simplement reprsent par une super-viscosit horizontale dans le modle de climat latitude-altitude.

Les arosols ont t introduits dans le modle de Titan il y a deux ans par Pascal Rannou, mais ce couplage n’a pas encore donn de rsultats concluants. Les aspects chimiques ont t dvelopps en collaboration avec le CESR dans le cadre de la thse de Sebastien Lebonnois, thse codirige par Dominique Toublanc et moi-mme.

4.5 Variations latitudinales et saisonnires de la distribution des espces chimiques

Sebastien Lebonnois a dvelopp lors de sa thse un modle latitude-altitude de transport-chimie. Dans cette premire approche, la circulation st prescrite partir de rsultats du modle de circulation. Les espces chimiques sont transportes mais ne rtroagissent pas sur l’coulement. Les simulations effectues par Sebastien Lebonnois (cf. Fig. ??) ont permis de donner une explication cohrente des observations latitudinales des espces chimiques observes par Voyager [?, ].

L’ide est la suivante. Les espces chimiques sont cres dans la haute atmsophre par photodissociation de l’azote et du mthane. Cette source en altitude a pour consquence que presque toutes les espces chimiques ont une concentration qui croit fortement avec l’altitude. Les raies infra-rouges lies ces espces se forment, elles, pour l’essentiel, dans la basse stratosphre vers 150-300 km d’altitude, dans une rgion o les molcules chimiques sont avant tout amenes depuis le haut par le transport atmosphrique.

Ce transport vertical se fait essentiellement par des grandes cellules mridiennes d’chelle plantaire avec, dans une longue saison autour d’un solstice, une subsidence sur le ple hivernal compense par une ascendance dans l’autre hmisphre. La bascule entre les deux saisons se fait autour de l’quinoxe. Ce transport est responsable de la cration des contrastes latitudinaux avec des concentrations plus fortes dans l’hmisphre d’hiver.

Couples cette circulation mridienne, les ondes plantaires horizontales ont elles plutt tendance attenuer les contrastes latitudinauux.

Cette vision est schmatise sur la Fig. ??. La description de la circulation qui avait permis d’expliquer la cration de la superrotation sur Titan s’avre donc capable d’expliquer galement la distribution des espces chimiques. En mme temps, le bon accord entre observations et modle fournit une validation indpendante de la circulation atmosphrique prdite par le modle de circulation.

4.6 Etude des ondes plantaires

On a soulign que les ondes plantaires jouent un rle essentiel dans cette circulation stratophrique. Or, pour l’instant, ces ondes sont reprsentes de faon trs sommaires dans le modle 2D longitudelatitude. Afin d’tudier ce point particulier, David Luz, qui effectue sa thse cheval entre Lisbonne et le LMD sous ma responsabilit, utilise un modle global une couche bas sur les quation de l’eau peu profonde. Ce modle est forc en rappelant le vent zonal vers un profil latitudinal avec un jet instable dans les moyenne latitudes. Un premier article est en cours de rdaction dans lequel on quantifie la relation entre intensit du transport par les ondes et le degr d’instabilit de l’coulement moyen. Ce travail devrait tre utilis la fois pour driver une paramtrisation plus physique de ces ondes transitoires pour le modle climatique latitude-altitude et pour prdire les structures spatiales qui pouront tre observes par Cassini lors de ses 40 survols de Titan (Cassini utilise Titan pour modifier ses orbites autour de Saturne).