D’une façon générale le comportement des profils verticaux de poussières peut facilement s’écarter de celui d’un profil contraint par l’équilibre entre sédimentation et transport kd-diffusion (ou diffu- sion turbulente), comme nous l’avons vu dans le chapitre d’introduction présentant une description de la poussière martienne, bien différente d’une simple décroissance des concentrations avec l’alti- tude. Cet équilibre, originellement défini sur Mars par Conrath (1975), ne peut rendre compte de la dynamique atmosphérique 3D et encore moins des structures en panaches de poussières. Néanmoins, dans le cadre d’un modèle 1D où la dynamique atmosphérique est rendue par la seule diffusion tur- bulente l’utilisation de profils stabilisés permet de définir des scénarios moyens. Nous aurons besoins de tels profils moyens pour étudier la formation des nuages de CO2.
Quatre scénarios sont envisagés : kd = 10, 100, 1000, 5000 m2 s−1. Le dépôt des poussières est empêché à la surface, si bien que l’ensemble de la quantité initiale est conservée. Les temps de mise à l’équilibre sont de l’ordre de la dizaine de sols pour kd=1000 m2 s−1, de la centaine de sol pour kd=100 m2 s−1 et d’une durée supérieure à l’année pour k
d=10 m2 s−1. Les concentrations des poussières sont alors stabilisées à chaque altitude (Figure III.11).
La Figure III.12 montre des profils de poussières (kg de poussières / kg d’air) à l’équilibre « de Conrath » obtenu à partir d’une même distribution prescrite initialement à chaque altitude du modèle (reff=1 µm, νeff=0.5 et Na= 109 m−3). Un grand coefficient de diffusion turbulente permet un maintien de la poussière à plus haute altitude et une stabilisation plus rapide. Des profils issus de la nouvelle version de la Mars Climate Database (Millour et al., 2012)4sont tracés également (en rouge) pour comparer nos profils aux différents contenus en poussières, pour différents endroits et époques relatifs aux observations de nuages de CO2 (autour de l’équateur et en début d’année, jusqu’à Ls=135◦date d’observation des nuages SPICAM). Deux profils de scénarios de tempêtes de 4. La Mars Climate Database est une base de données climatiques martiennes construite à partir de simulations GCM (Forget et al., 1999; Lewis et al., 1999). Pour la nouvelle version de la MCD voir Millour et al. (2012).
FigureIII.11 – Concentrations N de poussières normalisées à 0 sol, en fonction du temps (en sols), dans trois cases de rayon (de gauche à droite : 10 nm, 100 nm et 1 µm), à différentes altitudes. (Note : le temps commence à la fin du premier sol.)
poussières de la MCD (en vert) sont également indiqués, pour comparaison aux conditions moyennes. Une implémentation directe des profils de la MCD en entrée du modèle n’aurait pas permis de travailler avec des scénarios à l’équilibre et de pouvoir simplement jouer sur le coefficient de diffusion kd ou sur la quantité de poussière. Procéder ainsi permet d’être plus flexible sur les choix de profils de poussières, sans pour autant dévier d’un comportement réaliste.
Focalisons-nous maintenant sur la gamme d’altitude supérieure à ∼65 km correspondant à des pressions inférieures à 0,1 Pa. Les nuages que nous étudierons au chapitre IV se forment au dessus de ce niveau de pression, c’est donc sur cette gamme d’altitude que nous souhaitons avoir des contraintes crédibles en terme de rapport de mélange de la poussière. On constate que l’ensemble des profils modélisés se distribue entre les profils de poussières obtenus à kd = 100 et 1000 m2 s−1, indiquant que ces deux valeurs constituent de bonnes limites inférieures et supérieures pour des profils représentatifs de conditions moyennes, dans la mésosphère. Ceci est cohérent avec le fait que les valeur de kd de 100 m2 s−1 et de 1000 m2 s−1 soient les ordres de grandeur caractéristiques de la basse mésosphère (et troposphère) et de la mésosphère dans son ensemble, respectivement. Ainsi lorsque nous parlons de profils moyens nous faisons références aux cas kd = 100 et 1000 m2 s−1. Raisonner sur le profil obtenu pour kd = 1000 m2 s−1 donne une limite supérieure de ce qui peut être raisonnablement attendu en condition moyenne pour les concentrations en poussières de l’atmosphère. Nous raisonnerons essentiellement avec cette valeur de kd pour la formation des nuages de CO2 dans les sections suivantes.
Les profils verticaux du rayon effectif des poussières est indiqué par la Figure III.13, et la Figure III.14 indique les profils de variance des poussières. Le rayon effectif décroît lentement avec l’altitude, ainsi que la variance de la distribution, jusqu’à ce que seules les plus petites particules finissent par subsister, le rayon effectif décroissant de moins en moins vite (la population changeant peu), la variance diminuant alors très rapidement. Nous retrouvons les valeurs initiales de reff ∼ 1 µm et νeff ∼ 0, 5 au niveau du sol, qui sont à la surface des valeurs moyennes réalistes pour la poussière
Figure III.12 – Profils verticaux de poussières (kg de poussières / kg d’air) obtenus pour quatre valeurs de kd distinctes :10,100,1000,5000 m2 s−1. En symboles et trait continu (rouge) des profils de la MCD choisis pendant la période d’observation de nuages de CO2 : losange [Ls=0◦ ; LT=16h ;Lat=0◦ ,Long=0◦ ], triangle [Ls=45◦ ; LT=16h ;Lat=0◦ ,Long=0◦ ], carré [Ls=135◦ ; LT=01h ;Lat=-15◦ ,Long=0◦ ], croix [Ls=135◦ ; LT=16h ;Lat=0◦ ,Long=0◦ ]. En triangles et tirets (verts) deux profils MCD types de tempêtes : orientés bas [Ls=359◦
; LT=16h ;Lat=0◦ ,Long=0◦ ], orientés haut [Ls=270◦ ; LT=16h ;Lat=0◦ ,Long=0◦ ]
martienne. Pour le profil relatif à kd = 1000 m2 s−1 la variance diminue jusqu’à 0, 1 à 100 km d’altitude. Entre νeff=0,1 en altitude et νeff=0,5 à la surface, nous nous situons ainsi dans des plages de valeurs communément admises. Le rayon effectif de la poussière est de 200 nm à 60 km d’altitude, de 100 nm à 70 km, de 40 nm à 80 km et de 20 nm à 90 km. Des valeurs de l’ordre de la centaine de nanomètres vers 60 km est tout a fait plausible compte-tenu de ce qui a été dit dans le chapitre d’introduction concernant les poussières. Par ailleurs, les distributions de rayons à 60, 70, 80, 90, et 100 km pour kd= 1000 m2 s−1 sont telles que représentées sur la Figure III.15.
FigureIII.13 – Profils verticaux du rayon effec- tif de la poussière pour les différents scénarios de mélange turbulent.
Figure III.14 – Profils verticaux de la variance de la poussière pour les différents scénarios de mélange turbulent.
Figure III.15 – Distributions à l’équilibre des rayons pour différentes altitudes obtenues avec kd=1000 m2 s−1.