\chapter{Introduction} \section{Avant propos} En rédigeant le présent texte, j'ai poursuivi deux objectifs. Le premier est d'ordre statutaire~: pour soutenir une Habilitation à Diriger des Recherches, il faut rédiger une synthèse de ses travaux de recherche. J'ai voulu en même temps profiter de cet exercice imposé pour écrire un texte qui puisse servir plus ou moins directement de support pédagogique sur différens sujets auxquels je me suis intéressé au cours des dix dernières années. Vue la tourmente programatique et ``communicante" -- dans laquelle nous sommes chaque jour davantage plongés -- et vue l'ambition affichée, les objectifs -- en partie contradictoires -- ne sont certainement que partiellement atteints. Au fil de la rédaction, je me suis cependant rendu compte que l'exercice qui peut paraître à priori stupide et qui consiste à retraduire en français des morceaux de textes glanés dans des articles, est un exercice qui a du sens si on veut espérer diffuser les connaissances, notamment en direction des étudiants. 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 dans le premier cas et tracer des perspectives générales dans le second. Le fil conducteur de ces différentes parties est le transport atmosphérique et la modélisation de ce transport dans les modèles de climats globaux. \section{Cadre général} Les couplages entre chimie, physique des aérosols et transport atmosphérique occupent une place croissante dans l'étude des atmosphères planétaires. Ces couplages sont tout d'abord au centre d'une grande partie des questions relatives au changement climatique. D'une part, une partie importante 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$_2$ par exemple, l'augmentation des concentrations atmosphériques sous l'effet des émissions anthropiques conduit à une augmentation du stokage dans les océans et les éco-systèmes. Le puits biosphérique est cependant lui-même très sensible à l'évolution du climat, et les estimations actuelles estiment que l'effet de réduction du puits biosphérique par le changement climatique pourrait correspondre à une rétroaction positive de 15$\%$ sur la teneur en CO$_2$ de l'atmosphère \cite[]{Dufr:}. Les changements climatiques modifient également la chimie troposphérique \cite[]{Hour:93}. Le climat de la stratosphère de Titan est également étroitement couplé à la photochimie et à la micro-physique de l'épaisse couche de brume orange constituée d'aérosols organiques. La modélisation globale est devenue un outil de base pour aborder ces différentes questions. Les modèles de circulation générale atmosphérique, développés au début des années soixante-dix pour les besoins de la prévision météorologique, se sont petit à petit enrichis tant sur le plan physique (représentation des nuages, de la thermodynamique du sol, paramétrisations 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 aboutis dans les années récentes au concept de modèles "intégrés du climat" (les "Earth system models" ...) utilisés notamment pour prédire les évolutions futures du climat dans le cadre du programme international IPCC. 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. Sur Mars se 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 planètes rouges) qui ont été inclus dans les modèles de circulation existant. Pour Titan, les couplages avec la photochimie et la brume \cite[]{Hour:04} ou le méthane \cite[]{Toka:01} ont également été inclus dans les modèles existants. \section{Contenu du document} Pour les aspects liés à la composition, 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 écoulement non résolus, turbulents ou convectifs. L'introduction, dans le modèle LMDZ, de schémas en volumes finis développés à l'origine par \cite[]{VanL:77} \cite]{Hour:99} est ainsi à la base des études présentées dans ce document. Pour le modèle du LMD, ce travail d'introduction du transport a été effectué à la fois pour la version terrestres et pour les atmosphère de Mars et de Titan. Cette version avec transport des traceurs du modèle LMDZ est à l'origine d'un grand nombre de développements et applications concernant à la fois les aérosols soufrés, la chimie terrestre (le modèle a à cette fin été couplé avec le modèle de Chimie-aérosols INCA), et pour les planètes, le cycle des poussières et de l'eau sur Mars et les couplages entre brumes, photochimie et dynamique sur Titan. Ce travail préliminaire est décrit dans le \ch{lmdzt}. Pour la Terre, je me suis plus particulièrement intéressé au transport vertical par les structures méso-échelles de la couche limite convective. Ces structures (roulaux, cellules thermiques), bien connues des amateurs de vols libres (delta-planes, planeurs, parapentes), ne sont en général pas considérées de façon explicite dans les modèles de circulation globaux, coincées entre une vision diffuse 'à la Kolmogorov' du transport turbulent dans la couche limite et des schémas de convection profonde, contrôlés pour une bonne part par les changement de phase de l'eau. Les modèles doivent du coup inclure des traitement adhoc (``contre-gradients", ``ajustement convectif") pour palier l'absence de paramétrisation des sctructures convectives de couche limite, 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} où sont également présentés un certain nombre de validations, par rapport à des simulations numériques des grands trourbillons ou à des observations. En marge des questions relevant directement des couplages chimie-climat, les outils développés pour le transport des espèces traces peuvent être utilisés pour étudier la dispersion de polluants atmosphériques à écoulement atmosphérique connu. Des études de dispersions ont notamment été réalisées pour la validation des algorithmes de transport. A cette fin, le modèle de circulation atmosphérique est contraint a coller à la situation synoptique pour pouvoir comparer au jour le jour les concentrations observées de certains constituants avec les données de terrain. On parle de nudging en Anglais qu'on traduira ici par guidage. La technique utilisée consiste à relaxer en permanence les champs météorologiques du modèle vers des données d'``analyses" ou ``ré-analyses" produites par les grands centres de prévisions météorologiques. Dans ce cas, le modèle de circulation joue le rôle d'une espèce d'interpollateur physique sur le maillage choisi et permet de recalculer les grandeurs physiques nécessaires aà la représentation du transport sous-maille. Les grandeurs nécessaires pour les alogirthmes de transport des traceurs peuvent être soit passés directement aux algorithmes concernées soit stoker dans des fichiers puis relues. On parlera de modes ``branché" et ``débranché". Le modèle guidé et débranché devient 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 la surveillance des essais nucléaires à partir de la mesure de la concentrations en éléments radioactifs. C'est un cas typique d'un problème inverse dans lequel on veut obtenir des contraintes sur les sources à partir de mesures de concentration. Avec Robert Sadourny, nous nous sommes convaincu à l'époque qu'il était légitime, pour répondre à cette question, d'inverser la direction du temps dans le modèle de transport (débranché) pour calculer, en emettant un traceur au niveau des détecteurs, quelle était la distribution d'origine de l'air mesuré à la station. Cette méthode de transport inverse n'est pas fondamentallement nouvelle, mais le fait qu'on puisse utiliser directement les codes eulériens en mode inverse reste encore suspect pour beaucoup de scientifiques du domaine. Cette méthode de ``rétro-transport eulérien" peut être vue d'un côté comme une formulation eulérienne de l'approche des rétro-trajectoires Lagrangiennes largement utilisée pour interpréter des mesures de concentrations d'espèces traces à des stations. Le rétro-transport eulérien est également l'adjoint du trasnport direct pour un produit scalaire particulier, pondéré par la masse de l'air soutendant 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. 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. La dernière partie de ce document concenrne Titan, le plus gros satellite de Saturne. Titan fait partie de ces objets facinants du système solaire. En 1981, les responsables des missions Voyager choisissent de privilégier pour la sonde Voyager 2 un survol de Titan plutôt que de poursuivre la course vers Neptune et Pluton. On sait à l'époque que Titan est, comme la Terre, entourée 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'une effet saisonnier. Les mesures spectroscopiques premettent en revanches d'identifier un grand nombre de composés chimique, hidrocarbures et nitriles. Ces espèces chimiques, créées à partir de la photodiscocisation de l'azote moléculaire et du méthane (second constituant atmosphérique) sont ensuite transportées dans la stratosphères où on pense qu'elle 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 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 aux missions Voyager, une mission est programmée vers le système de Titan, sous l'impulsion de Tobie Owen et Daniel Gautier. La sonde Américaine Cassini se consacrera au système de Saturne et emenera à son bord la sonde Européenne Huygens qui plongera dans l'atmosphère de Titan. A l'heure ou s'écrit cette introduction, Huygens s'est tout juste détachée de Cassini pour entammer sa descente vers Titan. Au début des années 90s, sous l'impulsion de Daniel Gautier et Christopher P. McKay (NASA/Ames), différents travaux de modélisations sont entrepris. Le modèle de circulation du LMD est adapté aux conditions de Titan \cite[]{Hour:95} et prédit effectivement une forte superrotation sur Titan, superrotation depuis confirmée par des mesures Doppler. En parallèle, on modèle de photochimie est développé par \cite[]{Toub:} et un modèle de microphysique est développé par \cite{Caba:} Il apparait cependant rapidement que les différentes composantes de ce systèmes sont fortement couplées. Les brumes sont formées par la polymérisation des constituants chimiques et peuvent servire également de noyaux de condensation à ces dernières au niveaux de la troposphère galciale 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 Cabanes et Dominique Toublance de réunir les différents efforts de modélisation pour s'attaquer à ce système climatique complet. En 1998, lors du collouqe quadriénal du PNP, le programme est clair \cite[]{Hour:98}~: {\em ``L'arrivée sur Titan de la mission Cassini-Huygens est sans doute une des dernières occasions avant des décénies 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 dèveloppés 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 Cristopher P. McKay (NASA/Ames) et Régis Courtin (DESPA/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, micro-physique des aérosols, et photo-chimie. 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 connait 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-Hyugens en 2005 en font une enjeu scientifique de tout premier plan.'' } Après une mise en route souvent ardue, effectivement, le modèle a bien été développé. Une base de données de résultats du modèle a été mise à disposition de la communauté sur la toile. Cassini est là. Les photos prises lors des premiers survols de Titan par Cassini ont reservé leur lot de surprises. Les dépouillement en cours n'y manqueront sans doute pas non plus. En espérant que la descente de Huygens sera également un succès. C'est cette histoire qui clot ce document (\ch{titan}) avant quelques conclusions génrales.