Mars : retours de missions

23/11/2024 16:00

Vers des climats inclusifs

20/11/2024 09:00

Peut-on contrôler les nuages ?

12/11/2024 18:30

Modélisation du cycle de l'eau actuel et des derniers âges glaciaires de la planète Mars

26/10/2023 14:30

La présente thèse s’inscrit dans le projet de recherche européen « Mars Through Time » dont l’objectif est le développement de modèles numériques de climat pour étudier les paléoenvironnements martiens. L’accumulation d’observations spatiales et géologiques depuis les années 1970 montre que Mars n’a pas toujours été le désert froid et aride que l’on connaît aujourd’hui. En particulier, elle a connu des périodes glaciaires pendant lesquelles la planète était couverte de glace jusqu’aux moyennes latitudes, au cours des dernières centaines de milliers d’années de son histoire.

À l’image de la Terre, ces âges glaciaires sont déclenchés par les variations des paramètres orbitaux, entraînant des changements climatiques spectaculaires. Les périodes de plus haute obliquité (l’obliquité est l’angle entre l’axe de rotation de la planète et le plan de révolution autour du soleil) correspondent à la mise en place des formations géologiques glaciaires en dehors des régions polaires.

Les précédents travaux de modélisation suggèrent que les rétroactions avec le cycle de l’eau provoquent des changements climatiques importants, mais peinent à expliquer la chronologie de l’évolution de la surface inférée par les observations géologiques.

Le Modèle de Climat Global de Mars est développé en continu au Laboratoire de Météorologie Dynamique. Les précédents travaux de développement du modèle ont permis d’améliorer indépendamment certains détails de la modélisation du cycle de l’eau actuel, mais leur combinaison a dégradé les grandes caractéristiques du cycle de l’eau par rapport aux observations spatiales.

La première partie du travail présenté dans le manuscrit a consisté à compléter, améliorer et recalibrer le modèle du cycle de l’eau actuel. De nouveaux processus physiques, en particulier la prise en compte de la chaleur latente pour le givre ainsi que la dépendance en température de l’énergie de nucléation des nuages, ont été inclus et améliorent le réalisme du cycle de l’eau actuel dans le modèle. En particulier, le module de microphysique des nuages du modèle calcule plusieurs processus indépendants dans un sous-pas de temps dédié. Le couplage entre ces différents paramètres était mal pris en compte par le modèle.

La deuxième partie du travail consiste à intégrer un sous-pas de temps adaptatif dans le modèle, afin de permettre un couplage correct des mécanismes de la microphysique des nuages. Le cycle de l’eau actuel dans le modèle reste toutefois sensible à la résolution temporelle d’intégration, et une analyse détaillée montre que cela résulte du couplage entre la microphysique des nuages et les autres processus physiques.

Des expériences numériques sur l’évolution du cycle de l’eau de Mars pendant les derniers millions d’années, qui incorporent toutes les améliorations apportées au modèle, sont présentées dans la troisième partie du manuscrit. Durant cette période, l’obliquité de Mars a connu des oscillations importantes, dont les phases hautes correspondent aux âges glaciaires. En augmentant l’obliquité dans le modèle, l’effet de serre des nuages de glace d’eau, de second ordre dans le climat actuel, devient prépondérant. Dans les régions polaires, il est contrebalancé par le refroidissement dû à la chaleur latente de la glace. La combinaison de ces effets induit un climat modélisé significativement plus chaud et humide qu’aujourd’hui.

Dans ces expériences, la modélisation des rétroactions des propriétés thermophysiques de la glace, et en particulier de l’albédo, provoque la mise en place d’une couche de glace pérenne dans les hautes latitudes de Mars en provenance de la calotte polaire Nord. Dans le modèle, cette transition vers un climat glaciaire apparaît dès l’augmentation de quelques degrés de l’obliquité. Ces deux résultats correspondent à des variations climatiques possibles, cohérentes avec les scénarios d’évolution de la surface de Mars établis à partir des observations géologiques.

Les expériences de modélisation du climat menées dans cette thèse suggèrent que l’ensemble des études précédentes est à reprendre, puisque l’effet radiatif des nuages de glace d’eau et la chaleur latente de la glace n’étaient pas modélisés. D’autres processus physiques tels que l’effet radiatif de la vapeur d’eau, l’évolution de la glace en sous-surface ou encore l’effet de la contamination de la poussière sur la sublimation de la glace, ne sont pas encore pris en compte dans le modèle et sont susceptibles de jouer un rôle important dans la modélisation du climat à plus haute obliquité.

 

---

Abstract

This thesis is part of the European research project « Mars Through Time », which aims at developing numerical climate models to study Martian paleoenvironments. The accumulation of geological observations with spatial missions since the 1970s has shown that Mars was not always the cold, arid desertic planet we know. Specifically, it has experienced glacial periods during which the planet was covered by a water-ice mantle all the way to the mid-latitudes, during the last million years of its history. Just like Earth, these ice ages were triggered by variations in orbital parameters, leading to dramatic climate changes. Periods of higher obliquity (obliquity is the angle between the planet’s rotation axis and the plane of revolution around the sun) correspond to the formation of glacial geological features outside of the polar regions. Previous modeling work suggests that the feedback between the water cycle and other components of the climate system causes significant climate changes but struggles to explain the timeline of surface evolution inferred from geological observations.

The Mars Global Climate Model is continuously developed at the Laboratoire de Météorologie Dynamique. Previous work on the model development work has improved certain details of the current water cycle modeling, but their combination has degraded the major features of the water cycle compared to space observations.

The first part of the work presented in the manuscript consisted of completing, improving and recalibrating various parameters related to the current water cycle. New physical processes, notably latent heat of frost sublimation and the temperature dependence of cloud nucleation energy, have been included to enhance the realism of the current water cycle in the model. In particular, the cloud microphysics module of the model calculates multiple independent processes within a dedicated sub-time step. The coupling between these different parameters was poorly accounted for by the model.

The second part of the work involved integrating an adaptive sub-time step into the model to allow proper coupling of cloud microphysics mechanisms. However, the current water cycle in the model remains sensitive to the temporal integration resolution. Detailed analysis show that this is due to the coupling between cloud microphysics and other physical processes. Numerical experiments on the evolution of Mars’ water cycle over the last few million years, including all the improvements made to the model, are presented in the third part of the manuscript. During this period, Mars’ obliquity experienced significant oscillations, with high phases corresponding to ice ages. By increasing obliquity in the model, the greenhouse effect of water ice clouds, which is neglectible in the current climate, becomes dominant. In polar regions, it is offset by cooling due to the latent heat of ice sublimation.

The combination of these effects results in a modeled climate that is significantly warmer and wetter than today. In these experiments, modeling the feedbacks of the thermophysical properties of ice, especially albedo, leads to the development of perennial ice deposits in high latitudes of Mars, supplied by the North polar cap. In the model, this transition to a glacial climate appears with just a few degrees of obliquity increase. These two findings offer a coherent explanation for possible climate variations consistent with surface evolution scenarios of Mars established from geological observations.

The climate modeling experiments conducted in this thesis suggest that all previous studies need to be revisited, as the radiative effect of water ice clouds and the latent heat of ice were not previously modeled. Other physical processes such as the radiative effect of water vapor, the evolution of subsurface ice, and the impact of dust contamination on ice sublimation are not yet included in the model and are likely to play a significant role in modeling climate at higher obliquity.

Recherche de chimie prébiotique et d'indices de vie sur les mondes océans par analyse in situ de matière organique

23/10/2023 14:00

La présence d’océans sous la surface de certains des satellites glacés de Jupiter (e.g. Europe) et de Saturne (e.g. Titan, Encelade) couplée à l’existence de geysers permettant l’échantillonnage de leurs profondeurs a fait émerger le fort potentiel exobiologique de ces corps planétaires du système solaire. De telles découvertes ont suscité le développement de futures missions spatiales (Dragonfly pour Titan et concepts de missions pour Europe et Encelade) pour comprendre la chimie de surface de ces mondes océans, et par extension de rechercher des traces de chimie prébiotique ou de vie passée ou actuelle. La quête de telles signatures nécessite un analyseur chimique à bord des sondes qui seront envoyées dans le système solaire externe. De nombreuses techniques analytiques peuvent être mises en œuvre mais la chromatographie en phase gazeuse couplée à la spectrométrie de masse (CPG-SM) apparaît comme une technique de premier choix pour tenter de répondre à ces questions, de par son héritage dans l’exploration spatiale, sa capacité à analyser une large gamme de composés organiques et son potentiel pour détecter des biosignatures notamment par l’étude de l’énantiomérie des espèces chirales. L’objectif de ce travail de thèse est de préparer la future analyse chimique in situ de ces lunes glacées, d’une part par l’amélioration des connaissances scientifiques et d’autre part par l’optimisation technique des instruments. Il s’agit d’évaluer et d’optimiser les capacités analytiques de la CPG-SM et des méthodes de préparation d’échantillon associées, afin de détecter des molécules organiques et biosignatures avec les contraintes analytiques connues et/ou attendues sur ces corps planétaires (richesse en matière organique des échantillons prélevés pour Titan et présence d’eau de sels pour les échantillons à la surface d’Europe et d’Encelade). Dans le cas d’Europe et Encelade, l’étude d’échantillons hypersalins terrestres a permis de mettre en avant les capacités de la CPG-SM et des méthodes de prétraitements associées pour la recherche de molécules organiques d’intérêt pour l’exobiologie malgré la présence de sels. Pour évaluer l’impact du sel sur ces méthodes, le développement d’un protocole de dessalement a été entrepris et mis en place. Outre l’aspect analytique, mon travail a permis la sélection et la caractérisation des performances des colonnes chromatographiques (générale et chirale) qui seront intégrées à l’instrument DraMS à bord de la sonde Dragonfly (e.g. Dragonfly Mass Spectrometer, DraMS). Pour ces différents aspects, ce travail s’est appuyé sur l’étude d’échantillon analogues synthétiques (tholins pour Titan) mais aussi naturels (lac hypersalin pour Europe et Encelade).

The presence of oceans beneath the surface of some of Jupiter’s (e.g. Europa) and Saturn’s (e.g. Titan, Enceladus) icy satellites, coupled with the existence of geysers that allow their depths to be sampled, has highlighted the strong exobiological potential of these planetary bodies in the solar system. Such discoveries have motivated the development of future space missions (Dragonfly for Titan and mission concepts for Europa and Enceladus) to understand the surface chemistry of these ocean worlds, and by extension to search for traces of prebiotic chemistry or past or present life. The search for such signatures requires a chemical analyzer on board the probes that will be sent into the outer solar system. Many analytical techniques can be used, but gas chromatography-mass spectrometry (GC-MS) appears to be one of the best techniques for answering these questions, thanks to its heritage in space exploration, its ability to analyze a wide range of organic compounds, and its potential for detecting biosignatures, especially by studying the enantiomery of chiral species. The aim of this thesis is to prepare for future in situ chemical analysis of these icy moons, both by improving our scientific knowledge and by technically optimizing our instruments. The main purpose is to evaluate and optimize the analytical capabilities of GC-MS and associated sample preparation methods, in order to detect organic molecules and biosignatures within the analytical constraints known and/or expected on these planetary bodies (richness in organic matter in samples from Titan, and presence of water and salts in samples from the surface of Europa and Enceladus, etc.). In the case of Europa and Enceladus, the study of hypersaline terrestrial samples has highlighted the ability of GC-MS and associated pretreatment methods to find organic molecules of interest for exobiology, despite the presence of salts. In order to assess the impact of salt on these methods, a desalination protocol was developed and implemented. In addition to the analytical aspect, my work has enabled the selection and characterization of the performance of the chromatographic columns (general and chiral) that will be integrated into the DraMS instrument on board the Dragonfly probe (e.g. Dragonfly Mass Spectrometer, DraMS). For these different aspects, this work was based on the study of synthetic analogous samples (tholins for Titan) as well as natural ones (hypersaline lake for Europa and Enceladus).

Le cycle du carbone aux interfaces côtières sous les effets du changement climatique

05/10/2023 14:00

Les zones côtières sont particulièrement vulnérables aux multiples effets du changement climatiques et aux pressions anthropiques. La stratification thermohaline des eaux de surface, l’eutrophisation, la désoxygénation et l’acidification des eaux de fond sont à l’origine de multiples facteurs de stress.

Dans ce contexte, le cycle du carbone subit de nombreuses perturbations et le rôle de l’océan côtier en termes de puits ou de sources de carbone est toujours très incertain. La composante sédimentaire de ces milieux hétérogènes et peu profonds est à la fois complexe, relativement peu documentée et particulièrement variable dans l’espace et le temps.

Ce travail présente l’état des connaissances sur le cycle du carbone aux interfaces côtières. Il porte une attention particulière sur la biogéochimie des sédiments et sur l’acidification de l’océan, avec un focus spécial sur la diagenèse précoce et le système des carbonates à l’interface eau-sédiment. Ces problématiques sont abordées sur 3 systèmes RiOMars (River-dominated Ocean Margins) avec des caractéristiques très contrastées : (i) dans l’océan Arctique avec le fleuve Mackenzie et la mer de Beaufort, (ii) en Méditerranée avec le Rhône et ses sédiments prodeltaïques, et (iii) le nord du golfe du Mexique sous l’influence du Mississippi.

Sous l’interface eau-sédiment, la caractérisation des processus de minéralisation (oxique et anoxique) et leurs interactions avec le système des carbonates permettent de mieux comprendre les flux benthiques de carbone inorganique dissous (DIC) et d’alcalinité totale (TA). Sous l’effet de l’acidification des océans, la dissolution des carbonates sédimentaires pourrait bien augmenter dans les systèmes RiOMars. À l’interface eau-sédiment, les flux de DIC renforcent l’acidité des eaux de fond alors que les flux de TA tamponnent les eaux de fond.

Ce travail est le fruit d’un travail d’équipe résultant du co-encadrement de 3 thèses et de plusieurs stages de M2. Nos résultats contribuent à mieux comprendre le rôle des zones côtières, en général, et des sédiments, en particulier, vis à vis du cycle du carbone à l’interface continent-océan.