Projet ANR : Transfert radiatif 3D dans les atmosphères planétaires nuageuses : applications à Titan, Mars et Vénus

L’objectif principal de ce projet est de développer un modèle de transfert radiatif (TR) 3D complet en géométrie sphérique pour l’étude des atmosphères et surfaces planétaires horizontalement hétérogènes (c’est-à-dire incluant les nuages, les variations latitudinales et longitudinales de la brume et des gaz et des contrastes d’albédo horizontaux élevés) avec un traitement rapide et à haute résolution spectrale. La nécessité d’un tel modèle découle des observations spectroscopiques de plus en plus détaillées des planètes et des développements de modèles de plus en plus sophistiqués construits pour analyser les données ou pour modéliser correctement les systèmes climatiques. Ce modèle de TR fait encore défaut dans la communauté et est essentiel pour analyser les données des régions polaires des planètes (y compris la surface et l’atmosphère) où la géométrie sphérique est obligatoire, pour étudier les hétérogénéités horizontales et pour faire des prédictions correctes des structures thermiques dans les régions polaires hivernales dans les modèles climatiques. Les observations de Titan et de Vénus, qui ont toutes deux des atmosphères brumeuses et nuageuses épaisses, ainsi que l’atmosphère de Mars, qui contient de la poussière et des nuages localisés comme Titan, bien que dans le cas d’une atmosphère fine, seront utilisées pour construire un modèle de TR sphérique 3D polyvalent traitant de l’hétérogénéité horizontale (latitude et longitude) qui pourrait ensuite être appliqué à d’autres atmosphères et à différents types d’observations (par exemple, les observations du ciel depuis la surface de Titan par la mission Dragonfly en 2034). Le développement de ce modèle TR sphérique 3D traitant avec précision les hétérogénéités d’opacité (ci-après « modèle TR sphérique hétérogène 3D » ou « modèle 3D-HSRT ») est au cœur de ce projet ANR. De tels modèles TR existants ont des temps de calcul très longs et ne sont donc pas utilisés dans le domaine des sciences planétaires. De plus, les codes TR disponibles considèrent généralement des couches atmosphériques homogènes (non adaptées à l’étude des atmosphères planétaires nuageuses) avec une géométrie pseudo-sphérique (non adaptée aux observations avec un angle d’émergence supérieur à 60°, qui sont couramment rencontrées pour les observations planétaires sondant les hautes latitudes de la planète cible). Pour surmonter ces difficultés, notre consortium travaillera avec la start’up Meso-Star (https://www.meso-star.com/fr/), experte en modélisation de transfert radiatif, qui a développé une nouvelle approche TR pour accélérer les calculs de transfert radiatif en tenant compte de la haute résolution spectrale, y compris l’émission thermique et la lumière diffusée dans un traitement Monte Carlo. Le nouvel outil 3D-HSRT sera open source et mis à la disposition de la communauté sous licence publique générale Gnu. Il sera utilisé dans le cadre du projet RaD3-net pour répondre à des questions spécifiques concernant les atmosphères nuageuses de Titan, Vénus et Mars, questions auxquelles il n’aurait pas été possible de répondre sans ce nouvel outil de TR.

Les deux principaux objectifs scientifiques concernant Titan seront les suivants :

– dévoiler les cycles saisonniers de la chimie organique de la surface à la stratosphère, en caractérisant la composition de la surface et les couches de brume et de nuages dans la troposphère et la stratosphère des régions polaires de Titan, où des nuages convectifs troposphériques et des nuages stratosphériques polaires massifs (avec des précipitations potentielles) sont observés au-dessus des régions lacustres. Ces études seront principalement basées sur l’analyse des spectro-images de l’atmosphère et de la surface acquises par Cassini et les télescopes dans le proche infrarouge à des latitudes élevées avec de grands angles d’incidence et d’émergence, qui sont actuellement inexploités. Notre objectif est de caractériser les changements saisonniers de l’albédo de surface sous l’effet de l’évaporation et/ou des précipitations, de l’hiver à l’été, d’analyser la composition et les propriétés physiques des nuages convectifs troposphériques polaires principalement actifs pendant l’été, et de déterminer la composition chimique des nuages stratosphériques polaires observés à l’intérieur du vortex polaire pendant l’automne et l’hiver.