Sommaire
2.1 Description générale du GCM de Vénus. . . . 38 2.2 Transfert de rayonnement et super-rotation de l’atmosphère. . . . . 39
Ce chapitre décrit brièvement le modèle de climat planétaire, couramment noté dans sa traduction anglaise General Circulation Model noté GCM, que j’ai utilisé durant ma thèse. Ce GCM est le fruit du travail de Lebonnois et al. (2010) et un objectif premier de ma thèse était de coupler un modèle photochimique à ce GCM pour en faire le premier modèle tridimensionnel de la photochimie vénusienne.
2.1 Description générale du GCM de Vénus
Le GCM de Vénus est basé sur un cœur dynamique développé pour le GCM terrestre du
Labo-ratoire de Météorologie Dynamique (LMD) appelé LMDZ (Hourdin et al., 2006). Le GCM de Vénus suppose une orbite circulaire et fait abstraction de la très faible excentricité de Vénus, ∼ 0, 006 (voir ta-bleau 1.2). L’inclinaison de Vénus sur son axe de rotation est également négligée. Le modèle résout les équations de la dynamique discrétisées sur une grille horizontale divisée en 48 longitudes et 32 latitudes, ce qui donnent une résolution de 7,5° × 5,625°. La discrétisation verticale est définie sur 50 niveaux grâce à des coordonnées hybrides de pression qui couvre les altitudes depuis la surface de Vénus jusqu’à environ 100 km. L’utilisation de niveaux en pression permet une simplification des équations de la dynamique à résoudre par le GCM.
Le GCM vénusien du LMD a la particularité de calculer le champ de température de manière cohérente sans fixer de forçage radiatif à-priori. Le GCM reprend évidemment les caractéristiques propres à Vénus, comme la distance au Soleil et son flux correspondant mais également sa gravité, la masse moléculaire moyenne de son atmosphère ou encore la durée du jour sur Vénus (voir tableau1.2). D’autres GCM existent mais ils imposent les taux de chauffage de l’atmosphère et font tendre ensuite le profil de température vers un profil de température spécifique prédéfini.
Lorsque le gradient vertical de température est inférieur au gradient adiabatique, un ajustement convectif intervient pour maintenir le gradient adiabatique dans cette couche instable modélisé par un échange de masse d’air sous forme de diffusion. Ce flux vertical par diffusion F d’une quantité x est calculé selon F = −ρKz(∂x/∂z), avec ρ la masse volumique de l’air, et Kz le cœfficient de diffusion. Le cœfficient de diffusion, en m2s−1, est calculé par le modèle lorsqu’un ajustement sec est nécessaire. La conduction de la chaleur à travers le sol est résolu par un modèle de sous-surface à 11 couches ( Hour-din et al., 1993). Ce modèle dépend de l’inertie thermique I de la surface. Une inertie thermique
I = 2000 J m−2s−1/2K−1 est choisie car elle correspond typiquement à un basalte non poreux. Le GCM de Vénus inclut la topographie de Vénus grâce aux données haute résolution de la mission Magellan (Ford and Pettengill, 1992). Les ondes de gravité générées par la topographie aux échelles sous-maille ne sont pas pour le moment prises en compte dans la version du GCM utilisée dans cette thèse.
2.2 Transfert de rayonnement et super-rotation de l’atmosphère.
La version terrestre du GCM ne prend pas en compte la variation avec la température de la capacité thermique Cpa. Cependant sur Vénus Cp varie dans l’atmosphère de 738 J kg−1K−1 à 100 km jusqu’à 1181 J kg−1K−1 près de la surface (Seiff et al.,1985). Cette variation est prise en compte dans le GCM vénusien (Lebonnois et al.,2010) en modélisant Cp en fonction de la température T suivant la formule suivante : Cp(T ) = Cp0× (T T0 )ν Avec Cp0= 1000 J kg−1K−1, T0= 460 K et ν = 0, 35.
Le GCM de Vénus utilise un modèle de transfert de rayonnement qui calcule les taux de chauffage issus du rayonnement solaire grâce à un fichier des flux solaires pré-calculés selon l’angle solaire zé-nithal (0◦ à 95◦) et basés surCrisp (1986). Une interpolation est faite à chaque point de la grille du GCM afin de calculer le flux solaire et ainsi tenir compte du cycle diurne. Au sujet du rayonnement thermique, le modèle de transfert de rayonnement utilise la méthode des échanges de flux netb(Eymet et al., 2009). La structure du nuage utilisée est uniforme en latitude et longitude et s’étend de 47 à 70 km.
Le GCM parvient à reproduire la super-rotation mais les intensités des vents modélisés par le GCM dans sa version publiée par Lebonnois et al.(2010) sont oinférieures à celles observées par Schubert (1983); Gierasch et al.(1997);Limaye(2007);Peralta et al. (2007); Sánchez-Lavega et al. (2008). Le GCM a bénéficié d’une mise à jour de sa matrice d’échange net de flux fournie par Sébastien Lebon-nois au cours de cette thèse. Ces améliorations permettent à la vitesse zonale d’approcher les valeurs maximales observées d’environ 120 m s−1 entre 60 − 80 km, figure 2.1. Les courbes de la fonction de courant représentées sur la figure 2.1 indiquent que le GCM reproduit une circulation méridionale dominée par la cellule de Hadley. La branche ascendante de la cellule de Hadley se situe à l’équateur et les branches descendantes vers 70 − 80°N et 70 − 80°S. On distingue en altitude deux séparation dans la cellule de Hadley, à 45 km et 60 km. Ces divisions dans la cellule de Hadley globale impliquent une diminution de l’intensité du transport de la branche ascendante à l’équateur. 45 km correspond grossièrement à la base des nuages de Vénus et 60 km à la séparation entre le middle cloud et le upper
cloud. Cette structure de la cellule de Hadley sera couplée avec la sédimentation des gouttelettes des nuages telle que nous la modélisons, section5.2.
a. La capacité thermique est la quantité d’énergie nécessaire à apporter à un matériau, gaz, pour élever sa température. Son unité est le J kg−1K−1.
La figure 2.2 représente la moyenne zonale de la température calculée par le GCM. Le profil de température du GCM est comparé avec celui de VIRA (Seiff et al.,1985) dans la figure2.3. Le GCM reproduit avec une bonne précision les températures comparées aux mesures.
Figure 2.1 –Moyenne zonale du vent zonal et de la fonction de courant de 10 à 95 km. Les valeurs de plus de 80 m s−1
à partir de 60 km, et montrant des pics à plus de 120 m s−1, représentent l’atmosphère en super-rotation. La fonction de courant, en 109kg s−1, est représentée par les courbes blanches pleines quand la valeur est positive et en pointillé quand elle est négative.
Figure 2.3 – Comparaison de la température du GCM (Lebonnois et al.,2010) avec les profils VIRA (Seiff et al.,