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

François Forget
François Forget
directeur de recherche au CNRS en astrophysique
En bref
  • Au Laboratoire de Météorologie Dynamique (LMD), la plupart des chercheurs étudient le climat terrestre à l’aide d’observations par satellite et de modèles numériques qui simulent son atmosphère.
  • Leur objectif : prévoir ce qui se passera dans le futur, sur notre planète comme sur d’autres.
  • Par exemple ils ont développé Dynamico pour calculer la circulation atmosphérique de la Terre — les dépressions, les anticyclones et les vents – qu’ils ont pu appliquer à Mars et Venus.
  • Ils tentent également de modéliser le climat sur Mars d’il y a quelques milliers ou même milliards d’années jusqu’à des périodes glaciaires (récemment) voire des lacs et des rivières (il y a très longtemps) à sa surface.

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.

Les modèles numériques du climat

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.

Des surprises à profusion

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.

Propos recueillis par Isabelle Dumé

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Auteurs

François Forget

François Forget

directeur de recherche au CNRS en astrophysique

François Forget est impliqué dans l'exploration spatiale, l'analyse des observations, le développement d'instruments et la modélisation de l'environnement d'autres mondes tels que Mars, Pluton, les planètes extra-solaires, telles que Vénus, Titan, Triton. Son équipe développe, en particulier, des modèles numériques de climat destinés à simuler avec précision l'environnement sur d'autres planètes.