\chapter{Introduction} \section{Avant propos} Deux objectifs, en partie contradictoires, m'ont guidé dans la rédaction de ce document. Le premier est d'ordre statutaire~: pour soutenir une Habilitation à Diriger des Recherches, il faut rédiger une synthèse de ses travaux antérieurs, souvent déjà publiés en anglais dans des revues à comité de lecture. Le second objectif que je me suis fixé est de profiter de cet exercice imposé pour essayer d'écrire un texte qui puisse servir plus ou moins directement de support de travail pour des collègues, voir de support pédagogique sur différents sujets auxquels je me suis intéressé au cours des dix dernières années. Faute d'avoir pu y consacrer suffisamment de temps, ces objectifs ne sont certainement que partiellement atteints. Les rapporteurs et examinateurs ne manqueront pas de trouver le document trop long. Les collègues ou étudiants voulant se renseigner sur un des sujets abordés le trouveront incomplet ou elliptique~; déséquilibré entre des parties trop techniques et d'autres trop vagues. J'espère que l'exercice restera malgré tout utile. Parmi les efforts pour accroître la lisibilité, j'ai essayé de réduire au maximum le nombre des acronymes utilisés et de répertorier en fin de document ceux qui sont utilisés. Le texte est composé de quatre parties plus ou moins indépendantes, avec à chaque fois une introduction assez complète et des conclusions et perspectives. L'introduction et la conclusion du document sont donc plutôt là pour brosser le cadre général du travail pour l'une et tracer des perspectives générales pour l'autre. Le fil conducteur de ces différentes parties est le transport atmosphérique et la modélisation de ce transport dans les modèles globaux de climat. \section{Couplages entre composition et transport atmosphérique} Les couplages entre composition et transport atmosphérique occupent une place grandissante dans l'étude des atmosphères planétaires. Ces couplages sont tout d'abord au centre d'une partie des questions relatives au changement climatique. En effet, une part des incertitudes relatives au réchauffement global du climat terrestre provient des incertitudes sur l'évolution de la composition même de l'atmosphère (CO$_2$, méthane, ozone troposphérique, aérosols). Or l'évolution de cette composition est étroitement liée au transport atmosphérique et au climat. Pour le CO$_2$, l'augmentation des concentrations atmosphériques sous l'effet des émissions anthropiques conduit à une augmentation du stockage dans les océans et les écosystèmes. Le puits biosphérique est lui-même sensible à l'évolution du climat. Les estimations actuelles prévoient une réduction du puits biosphérique consécutive au changement climatique qui pourrait correspondre à une rétroaction positive de 15$\%$ sur la teneur en CO$_2$ de l'atmosphère \cite[]{Dufr:02}. La modification de l'ozone troposphérique est également étroitement couplée à l'évolution de la température et de l'humidité. Les changements des vents en surface peuvent également modifier le soulèvement des poussières désertiques ou les émissions de DMS (précurseurs des aérosols soufrés) par les océans \cite[]{bopp2004}. Au-delà des modifications de la composition, la sensibilité du climat à un changement de concentration imposé est également souvent conditionnée par des processus de transport. La fameuse rétroaction vapeur d'eau (l'atmosphère plus chaude se charge en vapeur d'eau, ce qui augmente en retour l'effet de serre) peut par exemple être fortement modulée par les processus de transport. Si on suppose par exemple que le réchauffement résulte également en une augmentation de l'altitude de la pénétration de la convection (convection nuageuse ou grands systèmes de Hadley-Walker), l'air subsident autour de ces zones convectives sera au contraire plus sec. Même si les processus de transport sont plus complexes \cite[cf. par exemple][]{Pier:98}, il n'en reste pas moins que l'accroissement d'humidité lors d'un réchauffement climatique peut être modulé par les changements d'advection. Les effets indirects des aérosols (une augmentation du nombre de noyaux de condensation résultant en des nuages formés de plus petites gouttes, donc plus brillants et moins précipitants) sont également une source importante d'incertitude sur l'amplitude du changement climatique, étroitement liée au transport et à la microphysique. Concernant les couplages entre composition et dynamique atmosphérique sur les autres planètes, on mentionnera d'abord le cas des poussières sur Mars. En dehors des bandes d'absorption du CO$_2$, constituant majoritaire de la fine atmosphère martienne, la poussière est le principal constituant actif radiativement. Cette poussière est en permanence soulevée du sol du grand désert martien par des rafales de vent, des tornades ou de petites tempêtes locales. Régulièrement, des tempêtes plus importantes se déclenchent, soulevant la poussière sur des milliers de kilomètres. A certaines périodes de l'année, ces tempêtes peuvent finalement dégénérer en évènements globaux spectaculaires, au cours desquels la surface de Mars est entièrement voilée pour l'{\oe}il d'un observateur extérieur. La circulation est alors profondément modifiée \cite[]{Hour:93}. Notons enfin les couplages entre la photochimie, la microphysique des brumes et la circulation stratosphérique sur Titan qui ont largement retenu notre attention au cours des années passées et qui font l'objet d'un chapitre du présent document. \section{Modélisation du climat} La modélisation numérique globale est devenue un outil de base pour aborder ces systèmes complexes. Les modèles de circulation générale atmosphérique, développés au début des années 70 pour les besoins de la prévision météorologique, se sont petit à petit enrichis tant sur le plan physique (représentation des nuages, modèles thermodynamiques du sol, paramétrisation de la convection) que par la prise en compte du couplage avec les autres composantes du système climatique. On pense en particulier pour la Terre au couplage avec l'océan, la végétation, la chimie ou les aérosols. Ces développements ont abouti dans les années récentes au concept de ``modèles intégrés du climat" (les soi-disant ``Earth system models") utilisés notamment pour essayer de prévoir les évolutions futures du climat. Un modèle de ce type est actuellement développé et utilisé à l'IPSL. Il comprend, couplé au modèle de circulation générale atmosphérique LMDZ, le modèle de circulation générale océanique ORCALIM, le modèle des surfaces continentales ORCHIDEE et le module aérosols-chimie INCA. Ce modèle est actuellement impliqué dans la réalisation de ``scénarios climatiques" pour le prochain rapport du GIEC. Une des originalités de la recherche menée au LMD est d'étudier de front et avec le même outil, LMDZ, le climat de la Terre et celui d'autres planètes du système solaire, en particulier Mars et Titan. En parallèle du développement du modèle intégré terrestre, et souvent même avant, les versions planétaires ont connu des évolutions similaires. Sur Mars, ce sont les couplages avec le cycle du carbone (un quart de l'atmosphère de CO$_2$ se condense saisonnièrement dans les calottes polaires), des poussières (on en a parlé plus haut) et de l'eau (avec l'enjeu de déterminer les réservoirs d'eau sous la surface et de comprendre les évolutions passées du climat de la planète rouge) qui ont été inclus dans les modèles de circulation existants \cite[]{Hour:93,Hour:95,Forg:98,Mont:04}. Pour Titan, les couplages avec la photochimie et la brume \cite[]{Rann:02,Lebo:03,Hour:04} ou le méthane \cite[]{Toka:01} ont également été inclus dans les modèles existants. \section[Représentation du transport dans les modèles globaux]{Représentation du transport des traceurs dans les modèles globaux} Pour la modélisation des couplages entre composition et climat, une étape essentielle du travail de développement consiste à introduire, dans le modèle de circulation générale atmosphérique, les algorithmes permettant de représenter le transport des espèces traces. Il faut traiter à la fois le transport par l'écoulement explicitement représenté dans le modèle de circulation (c'est à dire pour des échelles supérieures à quelques centaines ou dizaines de kilomètres) et le transport par les écoulements non résolus, turbulents ou convectifs. C'est en fait l'introduction, dans le modèle LMDZ, de schémas permettant de représenter le transport à grande échelle qui a donné le coup d'envoi à l'ensemble des études présentées ici. Nous avons plus particulièrement mis en {\oe}uvre dans le modèle LMDZ des schémas en volumes finis développés à l'origine par \cite{VanL:77}. Les versions terrestre et planétaires étant développées de front, ce travail d'introduction du transport a été effectué de fait à la fois pour la Terre, Mars et Titan. Cette version avec transport des traceurs du modèle LMDZ est à l'origine d'un grand nombre de développements et applications concernant ces trois planètes. Ce travail préliminaire est décrit dans le \ch{lmdzt}. Je me suis ensuite plus particulièrement intéressé au transport vertical par les structures méso-échelles de la couche limite convective. Ces structures (rouleaux, cellules thermiques), bien connues des amateurs de vol libre (deltaplanes, planeurs, parapentes), ne sont en général pas considérées de façon spécifique dans les modèles de circulation globaux, qui privilégient, à un bout, une vision en diffusion du transport turbulent dans la couche limite et, à l'autre bout, des schémas de convection profonde, contrôlés pour une bonne part par les changements de phase de l'eau. Les modèles doivent du coup inclure des traitements adhoc (``contre-gradients", ``ajustement convectif") pour pallier l'absence de paramétrisation des structures convectives de couche limite~; ces structures convectives qui, sur des régions désertiques ou sur une planète-désert comme Mars, peuvent dominer le transport vertical jusqu'à plusieurs kilomètres au-dessus de la surface. Cette nouvelle paramétrisation, le ``modèle du thermique", basée sur une formulation dite ``en flux de masse", est décrite en détail dans le \ch{therm}. Y sont également présentées différentes validations par rapport à des simulations numériques des grands tourbillons ou à des observations. \section{Calculs de dispersion et surveillance de l'environnement} En marge des questions relevant directement des couplages entre composition et climat, les outils développés pour le transport des espèces traces peuvent être utilisés pour étudier la dispersion de polluants atmosphériques à écoulement atmosphérique connu. On présente dans les chapitres \ref{ch:lmdzt} et \ref{ch:therm} de tels calculs de dispersion, réalisés ici à des fins de validation des algorithmes de transport. Dans ces simulations numériques, on force le modèle de circulation atmosphérique à suivre au plus près la situation synoptique afin de comparer, au jour le jour, les concentrations observées de certains constituants avec des données de terrain. La technique employée est baptisée ``nudging" en Anglais ce qu'on traduira ici par ``guidage". Cette technique consiste à relaxer en permanence les champs météorologiques du modèle vers des données d'``analyses" ou ``réanalyses" produites par les grands centres de prévisions météorologiques. Dans ce cas, le modèle de circulation joue le rôle d'une espèce d'interpolateur physique sur le maillage choisi et permet de recalculer un jeu cohérent de grandeurs physiques nécessaires à la représentation du transport grande échelle et sous-maille. Les grandeurs nécessaires pour les algorithmes de transport des traceurs peuvent être soit passées directement aux algorithmes concernés, soit stockées dans des fichiers puis relues pour le seul calcul du transport des espèces traces. On parlera de modes ``branché" et ``débranché". Il s'avère que le modèle guidé et débranché, développé à l'origine pour des besoins de validation dans le cadre des études couplées chimie-climat, est un modèle global de dispersion atmosphérique parfaitement adapté à certaines questions relatives à la surveillance de l'environnement. Un travail spécifique a été entrepris dans ce domaine suite à une demande du CEA relative à la surveillance des essais nucléaires à partir de la mesure de la concentration en éléments radioactifs. Il s'agit d'un cas classique de problème inverse dans lequel on veut obtenir des contraintes sur les sources à partir de mesures de concentration. Avec Robert Sadourny, nous nous sommes convaincus, à l'époque de la demande, qu'il était légitime, pour répondre à cette question, d'inverser la direction du temps dans le modèle de transport Eulérien (débranché). En émettant un traceur au niveau des détecteurs, le modèle calcule alors la distribution d'origine de l'air échantillonné à la station. L'utilisation du transport inverse et de ``modèles de détecteurs" pour aborder ce type de question n'est pas nouvelle. Mais le fait qu'on puisse utiliser directement les codes Eulériens à rebours dans le temps (ce que nous appellerons le ``rétro-transport Eulérien'') ne semblait pas vraiment acquis. Ce travail sur la détection des essais nucléaires a donc été l'occasion de clarifier la théorie sous-jacente. Le rétro-transport Eulérien peut être présenté d'un point de vue physique comme une formulation Eulérienne de l'approche des rétro-trajectoires Lagrangiennes, largement utilisée dans la communauté des chimistes de l'atmosphère pour interpréter des mesures de composition ponctuelles. Le rétro-transport Eulérien peut également être présenté d'un point de vue mathématique comme l'adjoint du transport direct pour un produit scalaire particulier, pondéré par la masse de l'air sous-tendant le transport. Les visions à la base des rétro-trajectoires et de l'approche adjointe sont cependant suffisamment différentes pour que les outils développés le soient aussi, avec des conséquences importantes sur l'efficacité des algorithmes d'inversion. Le \ch{retro} présente de façon détaillée à la fois les aspects théoriques, des illustrations numériques et des exemples d'application pour la surveillance des essais nucléaires. Les outils développés à cette occasion sont en cours d'intégration dans une chaîne opérationnelle au CEA. \section{Couplages entre composition et dynamique sur Titan} La dernière partie de ce document concerne Titan, le plus gros satellite de Saturne. Titan fait partie de ces objets fascinants du système solaire révélés par l'épopée Voyager. En 1981, les responsables des missions Voyager choisissent de privilégier pour la sonde Voyager 1 un survol de Titan plutôt que de poursuivre la course vers Uranus et Neptune (périple magistralement réussi ensuite par Voyager 2). On sait en effet à l'époque que Titan est, avec la Terre, le seul corps tellurique du système solaire entouré d'une atmosphère dense d'azote (1,5 bar à la surface). Les photos renvoyées vers la Terre sont très décevantes. Une épaisse couche de brume orangée voile entièrement la surface. Tout juste peut-on distinguer un léger contraste entre les deux hémisphères, signe probable d'un effet saisonnier. Les mesures spectroscopiques permettent en revanche d'identifier un grand nombre de composés chimiques, hydrocarbures et nitriles. Ces espèces chimiques, créées dans la très haute atmosphère à partir de la photo-dissociation de l'azote moléculaire et du méthane (second constituant atmosphérique) sont ensuite transportées vers le bas dans la stratosphère où on pense qu'elles polymérisent pour donner naissance à la brume orange. L'analyse des contrastes latitudinaux de température dans la stratosphère suggère également que l'atmosphère tourne beaucoup plus vite que le satellite, lui-même en phase bloquée autour de Saturne, avec une durée du jour de 16 jours terrestres environ. Si la direction de la rotation de l'atmosphère ne peut être obtenue à partir des observations de la température, l'analogie avec Vénus et des arguments théoriques suggèrent que l'atmosphère est en régime de ``superrotation", l'atmosphère vers 200 km tournant une dizaine de fois plus vite que la surface et dans la même direction. Suite au passage des sondes Voyager, une mission est programmée vers le système de Titan, sous l'impulsion de Toby Owen et Daniel Gautier. La sonde américaine Cassini se consacrera au système de Saturne et emmènera à son bord la sonde européenne Huygens qui plongera dans l'atmosphère de Titan. Mission parfaitement remplie. Le 14 janvier 2005, après 7 années de voyage dans le système solaire, la sonde Huygens a dévoilé sous l'épaisse couche de brume des paysages familiers où chacun reconnaît qui sa Côte d'Azur, qui son lac de montagne~; en tout cas des images qui évoquent un rivage. Au début des années 90s, sous l'impulsion de Daniel Gautier (LESIA) et Christopher P. McKay (NASA/Ames), différents travaux de modélisation sont entrepris pour interpréter les résultats des missions Voyager et préparer la mission Cassini-Huygens. Le modèle de circulation du LMD est adapté aux conditions de Titan \cite[]{Hour:95b} et prédit effectivement une forte superrotation sur Titan, superrotation confirmée depuis par des mesures Doppler. En parallèle, des modèles unidimensionnels sont développés pour la photochimie \cite[]{Toub:95} et la microphysique des brumes \cite[]{Caba:92,Rann:95}. Il apparaît cependant rapidement que les différentes composantes de ce système sont fortement couplées. Les brumes sont formées par la polymérisation des constituants chimiques et peuvent servir également de noyaux de condensation à ces dernières au niveau de la troposphère glaciale de Titan (70~K environ). Brumes et espèces chimiques sont évidemment transportées par les vents. En retour, les contrastes latitudinaux de la composition jouent les premiers rôles dans le forçage de la circulation. Vers 1995, nous décidons, avec Michel Cabane et Dominique Toublanc, de réunir les différents efforts de modélisation pour s'attaquer à ce système climatique complet. En 1998, lors du colloque quadriénal du Programme National de Planétologie, le programme est déjà clair \cite[]{Hour:98}~: {\em ``L'arrivée sur Titan de la mission Cassini-Huygens est sans doute une des dernières occasions avant des décennies d'explorer un système physique analogue à la Terre mais encore très mal connu. Pour l'atmosphère et le climat en particulier, c'est une occasion unique avant longtemps de mettre à l'épreuve pour une planète tellurique les théories et modèles développés dans le contexte terrestre. Cette perspective ainsi que la préparation de la mission (étude en amont et préparation de l'analyse des résultats) ont motivé le développement d'un modèle de circulation générale de l'atmosphère de Titan au Laboratoire de Météorologie Dynamique du CNRS, sous l'impulsion de Daniel Gautier et en collaboration avec Christopher P. McKay (NASA/Ames) et Régis Courtin (LESIA/Obs. Paris Meudon). [...] Pour Titan, le modèle prédit une stratosphère tournant environ 10 fois plus vite que la planète solide avec des vents zonaux (d'ouest) de l'ordre de 100~m~s$^{-1}$. En plus de ce phénomène dynamique spectaculaire, les résultats du modèle ont contribué à mettre en évidence l'importance des couplages entre dynamique atmosphérique, microphysique des aérosols, et photochimie. Ceci nous a conduit à bâtir et à proposer au PNP pour les années à venir, un projet de modélisation du climat de Titan intégrant ces différentes composantes. L'enjeu est d'importance et la tâche ardue quand on connaît les problèmes rencontrés dans la modélisation de ces problèmes sur Terre. Mais la perspective de la confrontation du modèle aux observations de la mission Cassini-Huygens en 2005 en font [un objectif] scientifique de tout premier plan.'' } Après une mise en route souvent ardue, le modèle couplé a bien été développé. Il a permis de mettre en évidence le couplage très fort entre la brume et les vents \cite[]{Rann:04}. Le modèle a également permis d'expliquer les contrastes latitudinaux observés dans la composition chimique \cite[]{Lebo:01,Hour:04}. Sur la base de simulations numériques effectuées avec cet outil, une base de données a été constituée et mise à disposition de la communauté sur la toile avant l'arrivée de la mission \cite[]{Rann:05database}. Les données sont là. Les premières photos ont réservé leur lot de surprises. Que nous réservent les dépouillements en cours des enregistrements des spectromètres et "imageurs spectraux" ou des mesures in-situ de la composition par Huygens~? C'est cette histoire qui clôt ce document (\ch{titan}) avant quelques conclusions générales.