Soutenance

Les nuages de cristaux CO₂ sur Mars sont issus de la condensation du constituant majoritaire de l'atmosphère (95% de CO₂). De nombreuses études théoriques suggèrent que ces nuages pourraient avoir une influence sur le climat martien actuel et qu’ils ont sans doute joué un rôle significatif au cours de son évolution passée. Seulement récemment, des contraintes précises sur la taille des cristaux qui les composent et leur opacité ont été obtenues après leur découverte dans la mésosphère. C’est dans ce cadre que nous nous sommes intéressés à la modélisation de ces nuages avec pour ambition de caractériser la microphysique de condensation d’un gaz majoritaire dans une atmosphère raréfiée. Nous avons mis au point un modèle de croissance des cristaux tenant compte de la différence de température entre la surface du cristal et son environnement, différence qui s’avère importante dans le cas d’une vapeur majoritaire. Un modèle de microphysique de ces nuages à une dimension a été ensuite développé pour simuler leur formation dans la mésosphère. Grâce à ce modèle, nous sommes maintenant en mesure d’expliquer les faibles durées de vie ces nuages ainsi que leur comportement diurne. Nous montrons qu'il est possible de reproduire la taille de leurs cristaux, mais pas leur opacité tant que ceux-ci sont supposés se former à partir des particules minérales issues du régolite. Des scénarios d'apport exogène de noyaux de condensation ont été étudiés et ont permis de simuler des nuages plus denses conformes aux observables. Ce nouveau modèle de microphysique est appelé à rejoindre des modèles de climat et de météorologie martiens actuellement en développement.

Abstract :

Carbon dioxide (CO₂) ice clouds on Mars stem from the condensation of the main atmospheric component (95% CO₂). Numerous theoretical studies suggest that these clouds may have an influence on Mars' current climate, and that they have played a significant role in its past evolution. Only recently, observational constraints on crystal sizes and opacities of these clouds have been obtained after their discovery in the mesosphere. In this context, we have focused on the modeling of these clouds, with the aim of characterizing the microphysics of a near-pure vapor condensing in a rarefied atmosphere. We have developed a growth rate model for crystals, taking into account the potentially high temperature difference between the crystal surface and the environment, which appears to be important for a near-pure vapor. A one dimensional microphysical model has then been developed for these clouds to simulate their formation in the mesosphere. Thanks to this model, we can now explain their short lifetime and their diurnal behavior. We show that it is possible to reproduce the cloud crystal sizes, but not their opacities, as long as clouds are supposed to form onto dust particles (regolith) lifted from the ground by storms. A meteoritic input has been used to simulate denser clouds, in agreement with observations. The new microphysical model is intended to be coupled to Mars' climate and meteorological models.