[PDF] Dynamique méso-échelle de latmosphère martienne

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Specialite :Physique

Ecole Doctorale :Sciences de l'Environnement d'^Ile-de-France presentee par

Aymeric SPIGA

pour obtenir le grade de

DOCTEUR de l'UNIVERSITE PIERRE ET MARIE CURIE

DYNAMIQUE M

ESO-ECHELLE DE L'ATMOSPHERE

MARTIENNE : DEVELOPPEMENT D'UN MODELE

METEOROLOGIQUE ET ANALYSE DES

OBSERVATIONS OMEGA / MARS EXPRESS

These soutenue le 7 octobre 2008 devant le jury compose de :

President : M.Vladimir ZEITLIN

Rapporteurs : M.Yves LANGEVIN

M.Stephen LEWIS

Examinateurs : M.Philippe DROBINSKI

M.Francois LOTT

M.Franck MONTMESSIN

Directeur de these : M.Francois FORGET

Laboratoire de Meteorologie Dynamique, Paris, France Centre National de la Recherche Scientique { Institut Pierre Simon Laplace Universite Pierre et Marie Curie { Ecole Polytechnique { Ecole Normale Superieure

Remerciements

Je voudrais commencer par remercier Herve Le Treut, directeur du Laboratoire de Meteorologie Dynamique, ainsi que Katia Laval, directrice de l'Ecole Doctorale des Sciences de l'Environnement d'Ile-de-France, et Dominique Gresillon, directeur de l'Ecole Doctorale de l'Ecole Polytechnique, d'avoir accueilli cette these et de l'avoir encouragee. Je n'aurais pas de mots assez forts pour exprimer ma gratitude a Francois Forget pour avoir encadre ma these, en lui assurant des conditions de travail, de debat et d'epanouissement scientique

absolument enviables. Mentor et ami, il m'a appris que la science est un ensemble de belles histoires

qu'il est permis d'aborder avec enthousiasme mais interdit d'apprehender sans rigueur et exigence. C'est avec grand plaisir egalement que je remercie Francois Lott, Philippe Drobinski et Vladimir

Zeitlin pour leurs precieux conseils et leur soutien tout au long de la these { je n'oublie pas non plus

combien leurs enseignements ont ete fondateurs dans les annees qui l'ont precedee. Je me souviens tout autant du devouement et de l'aide de Franck Montmessin lors de mon stage d'option a NASA Ames et j'ai ete heureux de pouvoir compter sur lui a nouveau pendant ma these. Un grand merci enn, a la fois chaleureux et respectueux, a Yves Langevin et Steve Lewis pour avoir accepte de rapporter ma these et d'y apporter leur regard critique et aute dont la qualite nale du manuscrit est redevable. Que tous les membres du jury soient au passage remercies pour leur attention et leurs questions au cours de la soutenance. Mon travail de these fut rythme par lesscience meetingsOMEGA, occasions uniques de rencon-

trer les planetologues francais [IAS, LESIA, ...], europeens et americains qui auscultent l'atmosphere

et la surface de Mars aux longueurs d'onde visible et infrarouge. Je tenais a remercier plus parti- culierement Jean-Pierre Bibring pour l'animation de l'equipe OMEGA et Brigitte Gondet pour son

travail sur les donnees. Sans oublier bien s^ur la joyeuse bande desjunior scientists: Denis Jouglet,

Mathieu Vincendon, Vaitua Leroy, Damien Loizeau, Frederic Schmitt, Antoine Pommerol, Anni Mattanen, Francesca Altieri, Luca Maltagliati, ... Du charme d'Oxford auxtapacerias1de Grenade en passant par la topographie accidentee de Nordwijk ou les couloirs de Jussieu, ma these s'est egalement construite sur les bases deprogress meetingriches sur le plan scientique. Merci a tous les participants et en particulier a Jean-Paul Huot [ESA] et Marie-Christine Desjean [CNES] pour leur soutien. Je remercie par ailleurs Luca Montabone pour avoir ete un collegue de bureau fantastique et m'avoir invite (viaun nancement Europlanet) a travailler une semaine a Oxford sur LA temp^ete de poussiere et LE rizzzo'to. J'ai eu la chance de voir les neiges du Wisconsin et de visiter le Space Science Institute de Milwaukee, une terminologie barbare qui signie((Chez Mike Wol)). Merci donc a Mike Wol pour l'accueil scientique et amical des plus agreables et chaleureux! Merci a Tim Michaels et Scot Rafkin pour leur disponibilite lors de la courte visite qui a suivi au SwRI a Boulder, Colorado.1

Disculpame Miguel, esta palabra no existe.

ivRemerciementsPlus proche de nous, je voudrais remercier tous les personnels du LMD pour leur bienveillance.

J'ai une pensee plus particuliere pour le couloir Jussieu 45-55 et la bonne ambiance qui y regne : dedicaces chaleureuses a Jean-Louis Dufresne et Jean-Yves Grandpeix pour l'expertise machine a cafe + f^ete de la science + reunions climat, Catherine Douineau et Laurence Touchon que je connais depuis le master, Martine Maherou pour les demarches administratives dans la bonne humeur, Marie-Pierre Lefebvre pour les previsions meteo, Veronique Fabart et Robert Franchisseur pour leur aide patiente et ecace sur les outils informatiques, ainsi que Laurent Fairhead qui cumule egalement les fonctions de ma^tre des cles et multiplicateur miraculeux de bureaux. Merci egalement a Josephine Ghattas et Sebastien Denvil pour leur aide bienvenue sur la compilation des modeles. J'adresse enn tous mes remerciements a l'equipe planeto : Ehouarn Millour (repetons qu'Ehou- arn n'est pas bassiste dans un groupe de heavy metal mais plut^ot n numericien), Sebastien Le- bonnois, Franck Lefevre (SA), Frederic Hourdin, Francis Codron. Par ailleurs, je ne me plaindrais pas du fait que Michel Capderou ait ete un tuteur culturel plus que pedagogique et je l'en remercie. Il y a des chances que se cachent dans ce manuscrit quelques astuces d'un certain Jacques Lefrere avec qui il est tant agreable de discuter informaphytique (informatique/physique/politique)! Je remercie egalement Alain Perrier pour des discussions toujours tres enjouees de bon matin. Merci enn a Hector Teitelbaum qui m'epate encore par son energie apres un stage inoubliable! Et que serait le laboratoire sans ses thesards, post-docs, etc ... merci a (dans un desordre total) Francisco Gonzalez-Galindo, Sandrine Vinatier, Robin Wordsworth, Guillaume Gastineau, Tris- tan d'Orgeval, Ignacio Pisso, Catherine Rio, Emilie Scherer, Armel Martin, Katerina Goubanova, Matthieu Lalande, Marjolaine Chiriaco, Ronan James, Pierre-Yves Meslin, Barry White, Audrey Crespin, Tamara Salameh, Gillian Boccara, Jingmei Yu, Jean-Baptiste Madeleine (frere de these!), Alberto Casado, Frederic Bernado, Pierre Gentine, Matthieu Guimberteau, Chuck Norris, Julien Lemond, Alexandre Catarino, Camille Risi, Mohammed Ly, Youssouf Sane, Abdoulaye Traore, Ni-

colas Rochetin, Cedric Pilorget, et, last but not least, Alain Lambert que j'ai eu la joie d'accueillir

en stage. Merci aussi a Fabien Roquet du MNHN, Cyril Lathuilliere du LOCEAN et Damien Josset du SA. Merci a ceux que j'ai oublie, je suis etourdi mais reconnaissant. La these est une entreprise parfois solitaire, parfois destabilisante, parfois obsedante; heureuse-

ment, il y a une vie hors le laboratoire. Qu'ils pensent qu'il n'y a pas d'atmosphere sur Mars, qu'ils

se demandent si j'ai une idee de la volatilite des cours en Bourse ou qu'ils s'inquietent d'une barbe

trop proeminente, je remercie tous mes ami(e)s de leur soutien, avec une pensee speciale pour mes ami(e)s thesards ou ex-thesards et celles/ceux qui sont venus ecouter sagement la soutenance (ou auraient voulu). Je veux enn reserver le mot de la n aux personnes qui comptent le plus pour moi. J'embrasse toute ma famille, particulierement ma maman, mon frere et ma soeur, dont j'ai tant besoin, dont

je suis si er et si aimant. Charline, merci d'^etre cet equilibre, ce tresor, cette douceur, cette joie.

L'heure des remerciements est aussi le temps de l'emotion et les mots me manquent. Je voudrais dedier cette these a mon papa a qui je pense chaque jour. Puisse la vie qui reprend toujours le pas sur les larmes rendre un hommage de tous les instants a son courage et a son amour. R esume Notre travail de these a pour objet l'etude de la circulation atmospherique meso-echelle sur la planete Mars. Les progres de l'exploration spatiale de la planete rouge a la n des annees 90 ont en eet ouvert la voie a une analyse observationnelle des phenomenes meteorologiques martiens aux echelles horizontales inferieures a la centaine de kilometres, que des eorts de modelisation sont venus completer. Nous avons developpe un nouveau modele meteorologique meso-echelle pour Mars en couplant une version adaptee du coeur dynamique non-hydrostatique compressible terrestre WRF aux pa- rametrisations physiques du modele de circulation generale du LMD pour l'environnement martien. An d'assurer le realisme de simulations en situation de topographie complexe sur une planete ou l'atmosphere est tres sensible au forcage solaire, nous proposons un traitement specique de l'in- solation sur les pentes qui generalise les formules terrestres au cas d'une atmosphere chargee de poussieres. Apres avoir decrit les caracteristiques de notre modele, nous confrontons les resultats de simula- tions aux mesures disponibles, en nous concentrant sur les cas ou la comparaison avec les resultats des modeles de circulation generale est en defaut. Les rafales de vent en n d'apres-midi dans les plaines du Nord et l'altitude des nuages de glace d'eau autour des volcans geants martiens sont correctement reproduites par notre modele qui enrichit les diagnostics tires des observations. Par des simulations aux grands tourbillons (LES), nous reproduisons les variations de temperature me- surees dans la couche limite martienne. Au cours de l'apres-midi, les intenses mouvements convectifs sur les ar^etes de cellules polygonales ouvertes conduisent frequemment a la formation de vortex partageant toutes les caracteristiques desdust devilsobserves a la surface de Mars. Comme les modeles meso-echelle martiens existants, nous diagnostiquons de puissants vents catabatiques et anabatiques le long des pentes martiennes les plus inclinees. L'amplitude des vents simules diere d'un modele a l'autre; nos simulations tendent a conrmer les estimations les plus elevees. Par ailleurs, nous apportons de nouveaux elements sur l'impact profond de ces circulations sur la structure thermique atmospherique martienne. Dans le cas d'Elysium Mons, volcan geant isole, nous examinons de plus les caracteristiques de la dynamique non-lineaire de sillage. En parallele de ces travaux de modelisation, nous avons complete les donnees meteorologiques existantes pour Mars en rendant possible une cartographie inedite de la pression de surface a haute resolution par le spectro-imageur OMEGA a bord de Mars Express. Nous montrons que la precision de la mesure est satisfaisante et permet la detection de variations meteorologiques. Nous examinons ensuite les signatures de pression observees : gradients marques dans les moyennes lati- tudes, structures ondulatoires, variations au voisinage des obstacles topographiques. Des elements d'interpretation sont proposees pour rendre compte de ces structures, qui tendent a conrmer la remarquable intensite de la dynamique atmospherique meso-echelle martienne.

Table des mati

eres I Principes et outils de modelisation meteorologique 9

I.1 Les modeles meteorologiques

10

I.1.1 Equations primitives du

uide atmospherique 10 I.1.2 Structure generale des modeles meteorologiques 11 I.1.3 Court historique des modeles meteorologiques 12 I.2 Modeles meso-echelle et modeles de circulation generale 15

I.2.1 Domaines d'integration

15

I.2.2 Hydrostatisme et non-hydrostatisme

17

I.2.2.1 Equilibre hydrostatique

17

I.2.2.2 Stabilite de l'equilibre hydrostatique

18

I.2.2.3 Coordonnees verticales d'Eliassen

19 I.2.2.4 Non-hydrostatisme et coordonnees de Laprise 20

I.2.3 Compressibilite

22

I.2.3.1 Approximation de Boussinesq

22

I.2.3.2 Dynamique compressible

22

I.2.4 Exemple des ondes de gravite

23

I.3 Un exemple de coeur dynamique meso-echelle

24

I.3.1 Le modele ARW-WRF

24

I.3.2 Les equations du modele

25
I.3.3 Quelques elements sur la discretisation des equations 26

I.3.3.1 Formulation

26

I.3.3.2 Stabilite

28

I.3.4 Applications du modele

28

I.3.5 Un modele adaptable aux autres planetes?

32

II Environnements martiens

33

II.1 Bilan sur une colonne atmospherique

36

II.1.1 Bilan radiatif

36

II.1.2 Proprietes de la surface

36

II.1.2.1 Bilan energetique

36

II.1.2.2 Variations de temperature

37

II.1.3 Structure atmospherique verticale

40

II.1.4 In

uence des aerosols 40
II.1.4.1 Cycle de l'eau et echanges de chaleur latente 40
II.1.4.2 Importance des poussieres dans le bilan radiatif 42

II.1.4.3 Eets radiatifs des nuages de glace d'eau

44

II.2 Quelques elements de circulation generale

44

II.2.1 Circulation meridienne

44

II.2.1.1 Principes generaux

44

II.2.1.2 Specicites martiennes

45

II.2.2 Perturbations des moyennes latitudes

49

II.2.2.1 Mecanismes

49

II.2.2.2 Perturbations martiennes et terrestres

51

II.2.3 Marees thermiques

51
vii

viiiTable des matieresII.2.3.1 Proprietes des ondes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51

II.2.3.2 In

uence dynamique sur Mars 53

II.2.4 Contr^ole dynamique de la topographie

53

II.2.4.1 Ondes planetaires

54

II.2.4.2 Ondes de maree

54

II.2.4.3 Autres eets

54
II.3 Meteorologie locale : principaux phenomenes sur Mars 5 5

II.3.1 Couche limite martienne

55

II.3.1.1 Preliminaire

55

II.3.1.2 Observations

56

II.3.1.3 Modelisation

58
II.3.1.4((Dust devils)). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .62

II.3.2 Vents de pente

66

II.3.2.1 Mecanisme principal

66

II.3.2.2 In

uence des phenomenes de couche limite 69

II.3.2.3 In

uence de l'environnement 71

II.3.3 Ondes de gravite

73

II.3.3.1 Generalites

73

II.3.3.2 Ondes de gravite de montagne

74

II.3.3.3 D'autres sources d'ondes de gravite?

79
IIIModelisation tridimensionnelle meso-echelle et micro-echelle sur Mars 81

III.1 Modeles existants et resultats obtenus

82

III.1.1 Contexte

82

III.1.2 Premiers eorts

82

III.1.3 Une variete d'applications

85

III.1.3.1 Meteorologie polaire

85
III.1.3.2 Circulation atmospherique autour des grands volcans 86

III.1.3.3 Simulations aux grands tourbillons

89
III.1.3.4 Selection des sites d'atterrissage des missions spatiales 91
III.2 Article : A new model to simulate the Martian mesoscale and microscale atmospheric circulation : validation and rst results 93

III.2.1 Motivations

93

III.2.2 Resume de l'article

94

III.3 Introduction

95

III.4 Model Description

96

III.4.1 Dynamical core

96

III.4.2 Martian physics

97

III.4.2.1 Physical parameterizations

97

III.4.2.2 Physical timestep

98

III.4.3 Initial and boundary conditions

98
III.4.3.1 Starting state and horizontal boundaries 98
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