Comment étudie-t-on le climat des autres planètes ?

L’exploration spa­tiale se veut de plus en plus ambi­tieuse avec de nou­velles mis­sions vers les dif­fé­rentes pla­nètes de notre sys­tème solaire et au-delà. Mon équipe au LMD contri­bue à cet effort glo­bal en ana­ly­sant les obser­va­tions faites par ces mis­sions et en déve­lop­pant des modèles cli­ma­tiques glo­baux. Dans le but de simu­ler le com­por­te­ment des atmo­sphères extra­ter­restres à l’aide d’équations de phy­sique universelle.

Au LMD, la plu­part de mes col­lègues étu­dient le cli­mat de la Terre à l’aide d’observations par satel­lite et de modèles numé­riques qui simulent son atmo­sphère. L’objectif est de modé­li­ser les chan­ge­ments cli­ma­tiques et de pré­voir ce qui se pas­se­ra dans le futur — disons dans 50 ans. Nous avons adap­té ces tech­niques et les avons appli­quées aux atmo­sphères des autres pla­nètes de notre sys­tème solaire, ain­si que de Titan (une lune de Saturne) et de Tri­ton (une lune de Nep­tune), et bien sûr de Plu­ton, ancien­ne­ment notre neu­vième planète.

Qu’ils soient ter­restres ou non, les modèles res­semblent un peu à un jeu vidéo, mais ils sont basés sur des équa­tions phy­siques qui nous per­mettent de cal­cu­ler tous les phé­no­mènes pré­sents autour d’une pla­nète — ses nuages, ses vents, sa cir­cu­la­tion atmo­sphé­rique, ses tem­pêtes de pous­sière, son gel, sa neige. Nous essayons ensuite de voir si, sim­ple­ment sur la base d’équations théo­riques bien connues, nous pou­vons repré­sen­ter tous ces phénomènes.

Cet objec­tif est très ambi­tieux. Par­fois, nous n’y par­ve­nons pas, mais sou­vent les modèles fonc­tionnent éton­nam­ment bien. Les résul­tats nous per­mettent éga­le­ment de mieux com­prendre l’atmosphère de notre pla­nète en y réap­pli­quant les leçons apprises ailleurs. C’est un peu comme en méde­cine, où les modèles ani­maux sont uti­li­sés pour mieux com­prendre le corps humain.

Nous consa­crons actuel­le­ment une grande par­tie de notre temps à la pla­nète Mars et sommes impli­qués dans de nom­breuses mis­sions spa­tiales dont le Mars Cli­mate Orbi­ter de l’ESA et Insight, une mis­sion amé­ri­caine pour laquelle des col­lègues fran­çais ont four­ni le sis­mo­mètre. Cette sta­tion géo­phy­sique est aus­si une sta­tion météo­ro­lo­gique. Là encore, nous essayons d’interpréter les obser­va­tions que nous fai­sons avec nos modèles numériques.

Nous déve­lop­pons éga­le­ment un ambi­tieux pro­jet sou­te­nu par l’UE, inti­tu­lé Mars Through Time (Mars à tra­vers le temps), qui consiste à uti­li­ser nos modèles cli­ma­tiques extra­ter­restres pour ten­ter de modé­li­ser le cli­mat sur Mars il y a quelques mil­liers, mil­lions et même mil­liards d’années, lorsque son orbite, son axe de rota­tion et son atmo­sphère étaient quelque peu dif­fé­rents et qu’il y avait des périodes gla­ciaires (récem­ment) voire des lacs et des rivières (il y a très long­temps) à sa surface.

Pour ce pro­jet et d’autres, nous avons récem­ment appli­qué aux autres atmo­sphères un nou­veau pro­gramme infor­ma­tique appe­lé Dyna­mi­co, déve­lop­pé à l’origine pour étu­dier le cli­mat de la Terre, afin de résoudre les équa­tions de la méca­nique des fluides pour cal­cu­ler la cir­cu­la­tion atmo­sphé­rique — c’est-à-dire la façon dont les dépres­sions, les anti­cy­clones et les vents évo­luent. Lorsque nous avons appli­qué le pro­gramme à Mars et à Vénus, nous avons consta­té qu’il ne simu­lait pas très bien la situa­tion sur Vénus. En effet, des effets sub­tils que le modèle néglige sur Terre peuvent être beau­coup plus forts sur d’autres pla­nètes, ce qui signi­fie que nous devons par­fois amé­lio­rer le modèle en ajou­tant cer­tains termes aux équa­tions qu’il contient.

Il y a quelques années, nous avons ren­con­tré une situa­tion simi­laire en appli­quant nos modèles à Mars. Le terme sup­plé­men­taire que nous avons dû ajou­ter à nos équa­tions dans ce cas ne nous a pas seule­ment per­mis d’améliorer notre modèle pour qu’il décrive mieux l’atmosphère mar­tienne, il nous a éga­le­ment aidés à mieux simu­ler la mous­son en Inde lorsqu’il a été réap­pli­qué à l’atmosphère ter­restre. Cela peut sem­bler être un petit détail, mais il s’agit ici d’un résul­tat impor­tant si nous vou­lons essayer de com­prendre s’il y aura à l’avenir une grande séche­resse ou des pluies tor­ren­tielles dans cette région du monde à cause du chan­ge­ment cli­ma­tique. L’étude du cli­mat de Mars nous a ain­si per­mis de mieux com­prendre celui de la Terre.

Les résul­tats de ces modèles, qui sont uti­li­sés par des cen­taines d’équipes de recherche dans le monde, sont éga­le­ment déter­mi­nants pour la pré­pa­ra­tion des mis­sions spa­tiales, notam­ment celles qui sont conçues pour se poser à la sur­face d’une pla­nète ou qui uti­lisent l’atmosphère pour ralen­tir leur vais­seau spa­tial. Nous sommes finan­cés par les agences spa­tiales et les indus­triels pour ces projets.

On peut géné­ra­le­ment se fier aux modèles, ce qui, soit dit en pas­sant, est très utile pour convaincre cer­tains cli­ma­tos­cep­tiques. En effet, il est éton­nant de consta­ter à quel point nos modèles repré­sentent sou­vent bien ce que nous obser­vons. Il est fas­ci­nant de voir qu’un modèle aura par­fai­te­ment pré­dit com­ment, par exemple, les vents se com­portent sur une pla­nète et que ces pré­dic­tions sont confir­mées par les don­nées ren­voyées par une vraie sonde.

La situa­tion est encore plus inté­res­sante lorsque le modèle ne fonc­tionne pas. Par­fois, c’est parce que la situa­tion est très com­pli­quée ou « non linéaire », ce qui signi­fie que le cli­mat est extrê­me­ment sen­sible à tel ou tel para­mètre. Le modèle doit être fine­ment tes­té et ajus­té pour tenir compte de cette sen­si­bi­li­té. Le plus sou­vent, cela implique qu’il existe un phé­no­mène phy­sique auquel nous n’avons pas pen­sé et qui est, en réa­li­té, bien pré­sent. Ce phé­no­mène phy­sique peut ne pas être un pro­ces­sus qui agit direc­te­ment sur l’environnement en le chauf­fant ou le refroi­dis­sant, par exemple. Il peut s’agir d’une « rétro­ac­tion » qui conduit le sys­tème cli­ma­tique dans un cer­tain « régime de fonc­tion­ne­ment », c’est-à-dire, un cli­mat par­ti­cu­lier. Nous devons com­prendre ces sys­tèmes phy­siques, qui pos­sèdent des mil­lions de degrés de liber­té et qui com­binent de nom­breuses échelles de lon­gueur et de temps, et appré­hen­der ce qui les fait entrer dans cer­tains états et fonc­tion­ner comme ils le font. Un véri­table défi et un beau pro­blème de phy­sique du 21e siècle que nous devons résoudre.

Pour aller plus loin

• https://www.lmd.jussieu.fr/~forget/research.html
• https://​www​.scien​ce​di​rect​.com/​s​c​i​e​n​c​e​/​a​r​t​i​c​l​e​/​a​b​s​/​p​i​i​/​S​0​0​1​9​1​0​3​5​2​1​0​04164
• https://​www​.scien​ce​di​rect​.com/​s​c​i​e​n​c​e​/​a​r​t​i​c​l​e​/​a​b​s​/​p​i​i​/​S​0​0​1​9​1​0​3​5​2​1​0​03572
• https://​www​.scien​ce​di​rect​.com/​s​c​i​e​n​c​e​/​a​r​t​i​c​l​e​/​p​i​i​/​S​0​0​1​2​8​2​1​X​2​1​0​0426X
• https://​www​.scien​ce​di​rect​.com/​s​c​i​e​n​c​e​/​a​r​t​i​c​l​e​/​p​i​i​/​S​0​0​3​2​0​6​3​3​2​1​0​01768
• https://​agu​pubs​.onli​ne​li​bra​ry​.wiley​.com/​d​o​i​/​1​0​.​1​0​2​9​/​2​0​2​1​G​L​0​95453
• https://link.springer.com/article/10.1007%2Fs11214-021–00820‑z
• https://www.nature.com/articles/s41467-020–18845‑3
• https://link.springer.com/article/10.1007%2Fs11214-020–00716‑4
• https://​gmd​.coper​ni​cus​.org/​a​r​t​i​c​l​e​s​/​1​3​/​7​0​7​/​2020/
• https://​www​.aan​da​.org/​a​r​t​i​c​l​e​s​/​a​a​/​f​u​l​l​_​h​t​m​l​/​2​0​2​0​/​0​2​/​a​a​3​7​3​2​7​-​1​9​/​a​a​3​7​3​2​7​-​1​9​.html