Projet ANR : Analyse des Observations Photométriques pour l’Etude du Climat de Titan

L’objectif de ce projet est de comprendre le système climatique de Titan à l’aide d’un modèle de circulation générale 3D couplé et des observations récentes de différents champs d’observables météorologiques. Depuis l’arrivée de Cassini en 2004 et de Huygens en 2005, notre connaissance de ce corps planétaire s’est considérablement accrue. Un nouveau monde a été découvert mais, jusqu’à présent, de nombreux aspects de l’atmosphère de Titan n’ont pas été entièrement étudiés. De plus, le mécanisme complexe du climat de Titan est loin d’être compris. Les travaux déjà publiés sur les observations photométriques de Cassini concernent généralement les aspects les plus spectaculaires (nuages), et non une description complète. Les caractéristiques de la surface sont essentiellement étudiées pour leur morphologie, mais la réflectivité absolue de la surface n’est pas étudiée.

Pour comprendre le système complexe de Titan, nous devons d’abord mieux caractériser les propriétés physiques de l’atmosphère et de la surface. La première partie de ce projet consiste donc à faire une analyse exhaustive des observations faites par plusieurs instruments de Cassini (VIMS, ISS, et CIRS) et à caractériser les propriétés physiques de la brume, du brouillard d’aérosols, des nuages et de la surface. Nous utiliserons un modèle de transfert radiatif pour modéliser la photométrie et effectuer une analyse quantitative. A la fin de cette phase, nous prévoyons de produire des cartes 3D de l’opacité et des propriétés physiques (taille, comportement spectral, etc…) des couches de brume et de brouillard, de la couverture nuageuse, et de leur évolution temporelle. Nous récupérerons également des informations quantitatives sur la surface, principalement des contraintes sur la réflectivité de la surface et éventuellement sur sa composition. Cette partie du travail est essentiellement une description climatologique de Titan. Mais, souvent, les liens entre les différentes composantes sont cachés, et ne peuvent être interprétés qu’à l’aide d’un modèle.

La deuxième partie, et la portée principale de ce projet, est l’utilisation d’un modèle climatique global tridimensionnel (le 3D IPSL-GCM) et la comparaison de ses prédictions avec les enregistrements climatologiques élaborés dans la première partie. Le modèle nous permet d’analyser et de poser des diagnostics sur toutes les quantités physiques calculées, même non observables, afin de comprendre les liens entre les différentes quantités observables. Ainsi, avec cette phase du travail, nous serons en mesure de comprendre et de décrire l’interaction complexe entre les différentes composantes de Titan (vent, température, brume, nuages, méthane de surface et atmosphérique, autres espèces de condensats et propriétés de la surface). Nous serons également en mesure d’implémenter le modèle avec de nouveaux processus si nécessaire, et de produire de nouvelles simulations, afin d’améliorer les prédictions.

A la fin du projet, nous prévoyons d’avoir une description 3D détaillée de la mécanique de l’atmosphère et des couplages dans le système Titan (atmosphère + surface). Par exemple, les fortes boucles de rétroaction dans la stratosphère (entre la dynamique, la brume et le transfert radiatif) et dans la troposphère (brume, nuages, espèces gazeuses, liquides à la surface et circulation) doivent être clarifiées. Nous espérons avoir résolu des questions essentielles comme les sources et puits de la brume, du méthane et des autres espèces, avec les distributions observées dans l’atmosphère. Nous prévoyons également de déterminer la nature de la surface et son interaction avec l’atmosphère en termes d’échanges (matière, chaleur et rayonnement) et d’influences (topographie).

Ce travail donnera un nouvel aperçu du système Titan qui permettra de faire des comparaisons avec d’autres corps planétaires comme la Terre, Vénus et Mars. Par exemple, Titan partage avec Mars et la Terre des cycles saisonniers marqués d’aérosols et de condensats, des échanges vigoureux entre l’atmosphère et les réservoirs de surface. Titan et Mars ont également une orbite elliptique, avec une forte corrélation orbite-saison (aphélie et périhélie proches des solstices) donnant une asymétrie saisonnière marquée entre l’hémisphère sud et l’hémisphère nord. Enfin, Titan est intéressant pour le problème de l’origine de la vie sous deux aspects : tout d’abord, il abrite une chimie beaucoup plus complexe qu’on ne l’a jamais imaginé. Les aérosols, qui sont produits par la photochimie, sont un élément clé, parmi d’autres, pour comprendre cette complexité. Deuxièmement, la Terre primitive était probablement protégée des rayons UV par une couche de brume similaire à celle de Titan. La brume de Titan peut donc donner des indications sur ce qui se passe sur Terre au premier stade de l’émergence de la vie.