Vers un modèle générique 3D de la photochimie des atmosphères : de la Terre primitive aux exoplanètes

Abstract

L'étude des atmosphères planétaires a fait d'immenses progrès grâce à la généralisation des modèles hydrodynamiques 3D appelés GCM (Global Climate Models). La multiplication de ces modèles spécifiques à chaque planète du système solaire est un procédé d'étude qui atteint ses limites face à la grande diversité des exoplanètes. Il est nécessaire de développer des modèles génériques dans lesquels les différents paramètres associés à la planète, tels que son atmosphère, sa rotation, son orbite et son étoile, puissent être flexibles. D'autant plus que la synergie entre ces modèles et les observations est grandissante de par l'entrée dans une nouvelle phase pour les observations d'atmosphères exoplanétaires grâce au prochain lancement du JWST suivi du lancement d'ARIEL ainsi que de la construction de l'ELT. Le LMDZ générique est un GCM développé avec cet objectif. L'objectif de cette thèse a été de contribuer à l'amélioration de ce GCM par la mise en place d'un module flexible et générique de (photo)chimie qui lui faisait jusqu'alors défaut. Celui-ci permet de suivre l'évolution d'espèces chimiques connectées par un réseau de réactions et de photodissociations. Le couplage entre la chimie, la dynamique et le transfert de rayonnement est essentiel. Par exemple, il donne lieu sur Terre à la formation d'une couche d'ozone responsable de l'inversion de température stratosphérique, ce que le LMDZ générique peut reproduire grâce aux développements apportés.Cette nouvelle fonctionnalité du code a permis deux nouvelles études réalisées dans le cadre de cette thèse. Une première étude a été de tester la stabilité de l'atmosphère terrestre dans un contexte différent, sur une planète en rotation synchrone autour d'une étoile naine rouge. En nous plaçant dans le cas spécifique de l'exoplanète tellurique tempéré Trappist-1e qui fait partie des prochaines cibles du JWST, nous avons discuté quantitativement de l'observabilité d'une telle atmosphère. Puis nous avons étudié pour la première fois en 3D le rôle de la photochimie dans l'enrichissement de l'atmosphère terrestre en oxygène, qui date d'environ 2,5 milliards d'années. La photochimie résulte en une bistabilité de la composition atmosphérique pouvant expliquer un emballement rapide de la teneur en oxygène. Le lien étroit entre la photochimie et la température de surface au cours de cet emballement est discuté permettant ainsi d'affiner la compréhension globale du phénomène.