Soutenance

Cette thèse porte sur l’étude de l’atmosphère et de la surface de Pluton avec des modèles de climat global (GCM). Le 14 juillet 2015, la sonde NASA New Horizons a survolé Pluton et a révélé un monde glacé magnifique, aux paysages inédits dans le Système solaire, débordants d’activité. A la surface, d’immenses étendues de givres et de spectaculaires glaciers, mélangeant les glaces volatiles d’azote, de méthane et de CO, témoignent de la complexité et de la diversité géologique que nous offre Pluton. Dans l’atmosphère, la photolyse de certaines espèces volatiles par l’action du rayonnement ultraviolet du Soleil entraine la formation d’une fine brume organique bleutée, plus épaisse au niveau du pôle nord. Ces observations exotiques, parfois énigmatiques, appellent à des efforts de modélisation pour  compléter leur analyse et comprendre les mécanismes associés. Pour cela, nous avons développé deux modèles numériques complémentaires. Tout d’abord, nous avons construit un modèle 2D dédié à l’étude de la surface, qui simule les interactions et échanges des espèces volatiles entre la surface et l’atmosphère de Pluton sur des milliers d’années. Ensuite, nous avons développé un simulateur 3D du climat de Pluton représentant, entre autres, la circulation atmosphérique et la turbulence, la sublimation et la condensation des espèces volatiles, la formation de nuages, le transfert radiatif, et la formation de la brume organique dans l’atmosphère. Ce modèle 3D s’initialise avec les conditions de surface équilibrées obtenues après des milliers d’années simulées avec le modèle 2D.

Après avoir décrit les caractéristiques de nos modèles, nous analysons les cycles annuels des espèces volatiles. Nos simulations reproduisent la distribution des glaces volatiles observées à la surface de Pluton. En particulier, nous montrons que l’insolation sur Pluton et la nature de son atmosphère favorisent la condensation d’azote au fond du bassin Sputnik Planitia, comme observé. L’évolution de la pression à la surface et des abondances des espèces volatiles dans l’atmosphère obtenues dans le modèle sont également en accord avec les observations. Nous fournissons ainsi un scénario complet pour expliquer les cycles annuels des espèces volatiles. Nous appliquons ensuite nos modèles pour explorer l’impact des changements d’obliquité, d’excentricité et de la précession des équinoxes sur les paléoclimats de Pluton. Nous simulons, sur des échelles de millions d’années, des écoulements glaciaires de la calotte de glace dans Sputnik Planitia, ainsi que la formation de glaciers de méthane à l’équateur, des résultats très cohérents avec les observations. Nous nous intéressons ensuite de plus près à l’état de l’atmosphère de Pluton en 2015 avec le modèle GCM 3D complet. Cette étude a abouti à une caractérisation complète de l’atmosphère : régimes de vents, ondes, formation des nuages, températures, etc. . . En particulier, nous mettons en évidence la sensibilité de la circulation générale à la distribution de la glace d’azote à la surface. Nos derniers résultats suggèrent qu’un rétro-rotation est à l’œuvre dans l’atmosphère de Pluton, induite par les flux de condensation-sublimation de l’azote dans le bassin de Sputnik Planitia. Le GCM nous permet également d’enrichir les diagnostics tirés des observations en montrant que plusieurs phénomènes atmosphériques sont à l’origine de la couche limite froide observée dans le profond bassin Sputnik Planitia. Enfin, en reproduisant les processus qui mènent à la formation de la brume organique, nous simulons son transport dans l’atmosphère. Les résultats montrent que les vents méridiens sur Pluton sont si faibles que la brume a tendance à sédimenter aux latitudes où elle s’est formée. Le pôle nord étant dans la période de jour polaire, la photolyse des espèces volatiles et donc la formation de brume sont plus intenses à cet endroit, ce qui explique l’extension de la brume observée. Nos travaux confirment que malgré une surface gelée et une atmosphère ténue, le climat de Pluton est d’une remarquable activité.