L’atmosphère de Titan possède l’une des chimies les plus complexes du système solaire. Ses principaux composés – l’azote et le méthane – sont dissociés à haute altitude, produisant un ensemble de molécules
complexes qui génère une couche de brume photochimique enveloppant intégralement Titan. En outre, Titan possède un cycle du méthane similaire au cycle hydrologique établi sur Terre (évaporation, condensation, précipitations). La brume, le méthane, et les nuages sont soumis à des cycles couplés dont les mécanismes ne sont pas encore complètement compris. La mission Cassini-Huygens (2004-2017) a révélé un système climatique complexe et des structures de surface variées sur Titan. Les instruments ont suivi le basculement de la circulation atmosphérique à l’équinoxe et ses effets sur le climat. Aussi, les mesures in situ ont déterminé un rapport de mélange du méthane de 1,4 % au-dessus de la tropopause, augmentant jusqu’à 5,5 % à 5 km, et restant constant jusqu’au sol. Une nouvelle mission de la NASA, Dragonfly, prévue pour 2028, devrait poser un drone sur Titan en 2034 pour étudier en détail la région équatoriale.

Cette thèse s’inscrit dans la continuité des recherches précédentes sur le climat de Titan et se concentre sur la caractérisation du cycle du méthane dans la troposphère, en utilisant un Modèle de Climat Global (GCM) adapté à Titan. Le méthane contrôle le climat de Titan, entre autres par le biais du transfert radiatif ou de la formation des brumes et des nuages, et conditionne l’environnement de la région où se dérouleront les observations de la mission Dragonfly. Il est donc fondamental pour les recherches futures sur Titan de comprendre le cycle du méthane dans l’atmosphère (sources, puits, et flux).

La première partie de cette thèse se concentre sur le développement du GCM de Titan, développé depuis les années 1990 au Laboratoire de Météorologie Dynamique, et renommé Modèle de Climat Planétaire de Titan (PCM de Titan) au cours de cette thèse. Un nouveau modèle microphysique de nuages adapté à Titan y a été intégré. Il prend en compte les phénomènes de nucléation et de condensation des espèces chimiques présentes dans l’atmosphère de Titan. De plus, des processus d’interaction entre la surface et l’atmosphère ont été ajoutés, permettant de traiter les échanges entre les différents réservoirs. Cela permet de déterminer les flux des différentes phases du méthane (solide, liquide, gaz), qui contrôlent le cycle du méthane dans la troposphère, et d’interpréter les structures observées (distribution et composition des lacs, nuages et précipitations). Ce modèle est également capable de fournir des prédictions climatiques pour la saison et la région ciblées par la mission Dragonfly.

Après les développements microphysiques et l’intégration des processus
liés au cycle du méthane, la seconde partie de cette étude exploite les résultats du modèle pour analyser les processus saisonniers de l’atmosphère de Titan. Le modèle peut désormais prédire la cartographie des brumes et des nuages dans l’atmosphère, ainsi que caractériser ces nuages en termes d’opacité, de taille des gouttes et de composition. Nous sommes capables d’expliquer les flux de méthane, ses sources (évaporation à la surface), ses puits (précipitations), ainsi que les bilans nets.

Ce travail a démontré que la troposphère de Titan est dominée par l’interaction complexe entre le méthane, les espèces photochimiques, les nuages, le brouillard de condensats, et les réservoirs liquides à la surface. Dans la stratosphère, le climat est principalement dominé par la brume et par une forte rétroaction avec la circulation atmosphérique. L’organisation des cycles climatiques sur Titan a également été étudiée. Une analyse des processus saisonniers, en particulier aux pôles, a également été effectuée, et a permis d’expliquer la structure thermique de l’atmosphère au pôle d’hiver, initiant la formation de nuages de HCN à très haute altitude (> 250 km).

Lieu
Salle Marie Curie (Amphithéâtre 2)
Bâtiment 4
Chemin des rouliers
51100 Reims –  Université de Reims Champagne-Ardenne

Visio
https://univ-reims-fr.zoom.us/j/96970254767?pwd=jSKsn0F3lOGV3DwshwfuOVQJo5LtPe.1
ID de réunion : 969 7025 4767
Code secret : 243898

• Franck MONTMESSIN, Directeur de recherche, Université Versailles Saint-Quentin-en-Yvelines (UVSQ), CNRS • Rapporteur
• Lori NEARY, Research Scientist, Royal Belgian Institute for Space Aeronomy • Rapportrice
• Athéna COUSTENIS, Directrice de recherche, Observatoire de Paris, CNRS • Examinatrice
• Frédéric HOURDIN, Directeur de recherche, Sorbonne Université, CNRS• Examinateur
• Tanguy BERTRAND, Chargé de recherche, Observatoire de Paris • Examinateur
• Pascal RANNOU, Professeur des universités, Université de Reims Champagne-Ardenne • Directeur de thèse
• Sébastien LEBONNOIS, Directeur de recherche, Sorbonne Université, CNRS • Codirecteur de thèse