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CHARNAY


Benjamin Charnay

"Dynamique troposphérique et évolution climatique de Titan et de la Terre primitive"

Mercredi 8 janvier 2014

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Membres du Jury :

M. KRINNER Gerhard, LGGE (Grenoble), rapporteur
M. LUNINE Jonathan, Cornell University (Ithaca), rapporteur
Mme COUSTENIS Athéna, LESIA (Meudon), examinatrice
M. DROSSART Pierre, LESIA (Meudon), examinateur
M. RODRIGUEZ Sébastien, AIM CEA (Gif sur Yvette), examinateur
M. SELSIS Franck, Observatoire de Bordeaux (Bordeaux), examinateur
M. FORGET François, LMD (Paris), directeur de thèse
M. LEBONNOIS Sébastien, LMD (Paris), directeur de thèse

Résumé :

Cette thèse porte sur l'étude des atmosphères de Titan et de la Terre
primitive avec des modèles de circulation générale (GCM). Tout d'abord,
j'ai analysé la structure thermique et la dynamique de la basse
troposphère de Titan. Cette étude a abouti à une caractérisation complète
de la couche limite et a révélé l'existence d'une circulation de couche
limite, qui impacte tous les aspects de la météorologie titanienne
(régimes de vents, ondes, formation des dunes et des nuages, échanges de
moment cinétique avec la surface et développement de la superrotation). A
partir de cette analyse, j'ai proposé une nouvelle hypothèse pour
expliquer l'orientation vers l'est des dunes de Titan grâce à un couplage
entre les orages tropicaux et la superrotation. Ceci a été validé par des
simulations méso-échelles et a permis de proposer un schéma global
expliquant la formation des dunes et leurs différentes caractéristiques.
J'ai ensuite participé au développement d'un GCM générique, conçu pour
étudier tout type d'atmosphère. Je l'ai appliqué aux paléoclimats de Titan
pour simuler une période où l'atmosphère a pu être dépourvue de méthane.
Dans ce cas, le climat devait être différent d'aujourd'hui avec
potentiellement des conséquences géologiques fondamentales notamment pour
l'érosion et l'âge de la surface. Finalement, j'ai appliqué ce GCM
générique au cas de la Terre primitive. J'ai montré que, malgré un soleil
moins lumineux qu'aujourd'hui et des quantités de gaz à effet de serre
contraintes par les archives minéralogiques, le climat de la Terre
Archéenne a pu être tempérée. En particulier, grâce à une rétro-action
nuageuse, la Terre aurait pu éviter une glaciation globale et rester
propice au développement de la vie même en supposant un effet de serre du
CO2 à peine plus élevé qu'aujourd'hui.


Abstract:

This thesis focuses on the study of the atmospheres of Titan and the early
Earth with Global Climate Models (GCM). First, I analysed the thermal
structure and the dynamics of Titan's lower troposphere. This analysis
allowed a full caracterization of the planetary boundary layer and
revealed the existence of a boundary layer circulation which impacts every
aspect of Titan's weather (wind patterns, atmospheric waves, dune and
cloud formation, exchange of momentum with the surface, and development of
the superrotation). Thanks to this study, I proposed a new hypothesis to
explain the eastward orientation of Titan's dunes that implies a coupling
between tropical storms and the superrotation. This has been validated
with mesoscale simulations and provided a general framework to explain
Titan's dune formation and features. Then, I participated to the
development of a generic GCM, designed to study any kind of atmosphere. I
applied it to Titan's paleoclimates, when the atmosphere was depleted of
methane. In such a case, the climate should have been different from
today, with potentially fundamental geological consequences, in particular
for the erosion and the age of the surface. Finally, I applied this GCM to
the case of the early Earth using greenhouse gas abundances constrained by
mineralogical data. I showed that despite a weaker solar insolation, the
Archean Earth's climate may have been temperate. In particular, the Earth
may have avoided a full glaciation and remained suitable for the
development of life thanks to cloud feedback, even assuming a amount of
CO2 just a little larger than today.


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