Rôle climatique des aérosols martiens

7.2 Applications des travaux de thèse et collaborations. . . 156

7.3 Perspectives . . . 158

7.3.1 Applications directes . . . 158

7.3.2 Nouvelles modélisations possibles. . . 159

7.4 Précieuse Mars . . . 159

7.1 Rôle climatique des aérosols martiens

Les recherches menées au cours de cette thèse confirment le contrôle de la tempé-rature par les aérosols de l’atmosphère, ainsi que la grande diversité des climats qu’ils peuvent engendrer. Les principaux résultats peuvent se résumer ainsi :

1. Un modèle permettant de prendre en compte l’effet radiatif d’aérosols de tailles variables a été implémenté dans le LMD/GCM, et est décrit dans le chapitre 2. Il permet le calcul de paramètres de diffusion simple variant dans l’espace et le temps, en fonction de la distribution en taille prévue des aérosols. Il est applicable à tout type d’aérosol, tant que son indice de réfraction est connu.

2. Il était impossible dans les précédentes versions du LMD/GCM de prévoir des tem-pératures en accord avec les observations en guidant le modèle avec les opacités de poussière observées. En effet, cette opacité devait être divisée environ par deux pour retrouver des températures réalistes. Le chapitre3décrit l’origine de cette in-cohérence, qui était due à l’emploi dans le modèle d’une poussière trop « sombre », dont l’albédo de diffusion simple aux longueurs d’onde solaires n’étaient pas assez élevé. Les nouvelles observations de TES, mini-TES, OMEGA et CRISM ont permis la mesure de nouvelles propriétés radiatives (Wolff et al.,2006,2009), dont l’albédo

Chapitre 7. Conclusion et perspectives

de diffusion simple aux longueurs d’onde solaire est supérieur d’environ 4% aux anciennes valeurs de référence deOckert-Bell et al.(1997). Ce changement sub-til se traduit par de grandes différences de taux de chauffage par les poussières, et explique pourquoi les températures étaient auparavant surestimées. L’emploi des nouvelles propriétés permet d’avoir un modèle cohérent, c’est-à-dire d’obte-nir des températures en accord avec les observations tout en guidant le modèle avec l’opacité de poussière observée∗.

❈♦♠♣❛r❡r ❧❡s ❝♦✉r❜❡s ❜❧❡✉❡s ❡t ✈❡rt❡s ❞❡ ❧❛

✜❣✉r❡✸✳✽✳❛✳ 3. Malgré l’amélioration des propriétés radiatives de la poussière, l’analyse de la

tem-pérature dans la moyenne atmosphère (autour de 0.5 hPa) révèle plusieurs suresti-mations de températures de plus de 10 K en début et en fin de saison poussiéreuse. Ces différences sont également décrites parWilson et al.(2008), qui suggèrent que la quantité de poussière en altitude est surestimée durant ces périodes. En effet, l’altitude du toit de la couche de poussière est donnée dans le modèle par une fonction analytique∗, ajustant au mieux les observations. Cette altitude est utilisée

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pour contraindre un profil de poussière typique, donné par l’équation3.2. Avec la dérivation récente d’un indice de réfraction de la poussière couvrant le solaire et l’infrarouge thermique, il est possible de mieux simuler les propriétés de la couche de poussière, en intégrant le transport de poussières de taille variable, et en cal-culant les propriétés radiatives associées. Le modèle reste cependant guidé par les opacités de poussière TES intégrées sur la colonne, et le modèle de transport de la poussière à deux moments n’est utilisé que pour donner la forme du profil vertical et la taille des particules. Le modèle résultant est donc qualifié de « semi-interactif ». Ce travail, présenté dans la partie3.6, révèle alors que les biais chauds de température dans la moyenne atmosphère disparaissent lorsque l’épaisseur de la couche de poussière et la taille des particules sont simulées par le GCM et prises en compte dans les calculs des taux de chauffage∗. Des écarts de température

de-❱♦✐r ❧❛ ✜❣✉r❡✸✳✽✳❛✱

❝♦✉r❜❡ r♦✉❣❡✳ meurent cependant, surtout en période de forte opacité des nuages de glace d’eau.

4. Les caractéristiques de ces nuages de glace d’eau, leur évolution diurne ainsi que leurs propriétés microphysiques sont déduites des observations du spectromètre imageur OMEGA. Quatre types de nuage sont distingués : les brumes matinales, les nuages de topographie, les cumulus, et les nuages épais. Leur répartition géo-graphique ainsi que leurs mécanismes de formation possibles sont analysés, et donnent un repère essentiel pour la simulation du cycle diurne des nuages dans les modèles.

5. La mesure de la taille des cristaux et de la colonne de glace d’eau est possible grâce à OMEGA, mais ne s’applique qu’aux nuages les plus épais. En effet, notre princi-pale incertitude de mesure est l’opacité de la couche de poussière sous le nuage au moment de l’observation OMEGA. Cette incertitude décroît avec l’opacité du nuage, expliquant pourquoi notre mesure n’est acceptable que lorsqu’elle s’ap-plique à des nuages épais. Ces nuages peuvent alors être séparés en deux grands groupes : des nuages présentant des rayons de 2-3.5 µm, et des nuages aux par-ticules d’environ 5 µm∗. Ces derniers correspondent à des régions de forts vents

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anabatiques, ce qui pourrait expliquer leur différence de taille. La colonne de glace d’eau mesurée va de 1.3 à 5.2 pr.µm. La connaissance de l’évolution spatiale et temporelle de ces propriétés microphysiques est une donnée essentielle pour

7.1. Rôle climatique des aérosols martiens

traindre le GCM.

6. Le cycle de l’eau du GCM est couplé au cycle des poussières semi-interactif et ajusté de façon à reproduire au mieux les observations. Les nuages sont rendus radiativement actifs grâce au modèle de diffusion développé. Un assèchement du

cycle de l’eau d’environ 5 pr.µm est observé∗. Les nuages tendent globalement à ❱♦✐r ❧❡ ♣❛♥♥❡❛✉ ✐♥❢ér✐❡✉r ❞❡ ❧❛

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refroidir les pôles et à réchauffer les basses latitudes au-dessus de 1 hPa, ce qui

rapproche le modèle des observations∗. _{❱♦✐r ❧❛ ✜❣✉r❡✺✳✾✳}

7. Les taux de chauffage sont analysés, et l’impact net des nuages sur le champ de température est étudié. L’effet infrarouge domine, avec un chauffage par la surface entre 20 et 30 km d’altitude pendant la journée, et un refroidissement vers l’espace

la nuit vers 10 km d’altitude∗. Même sans interagir avec la dynamique, les nuages ❱♦✐r ❧❛ ✜❣✉r❡✺✳✼✱ ❧✐❣♥❡ ❞✉ ♠✐❧✐❡✉✳

tendent à réchauffer l’atmosphère d’environ 3 K entre 20 et 30 km la nuit par

per-sistance du chauffage diurne à la même altitude∗. ❱♦✐r ❧❛ ✜❣✉r❡✺✳✽✳❝✳ 8. Aux tropiques, le couplage de l’effet radiatif des nuages et des ondes de marée

ther-mique décrit parHinson and Wilson(2004) est bien observé∗. ❱♦✐r ❧❛ ✜❣✉r❡✺✳✼✱ ❞❡r♥✐èr❡ ❧✐❣♥❡✳ 9. Les nuages chauffent l’atmosphère le jour autour de 20 km et favorisent le mélange

de la couche de poussière∗. Les nuages ont donc aussi un effet radiatif indirect par ❱♦✐r ❧❛ ♣r❡♠✐èr❡ ❧✐❣♥❡

❞❡ ❧❛ ✜❣✉r❡✺✳✼❛✐♥s✐

q✉❡ ❧❛ ✜❣✉r❡✺✳✽✳❞✳

redistribution verticale de la poussière.

10. Les températures globales sont comparées aux observations, et présentent une très nette amélioration. Notamment, le biais froid de plus de 10 K observé dans la moyenne atmosphère à 0.5 hPa lors du développement de la ceinture de nuages

tropicale est intégralement corrigé∗. Des tests de sensibilité montrent que la struc- ❱♦✐r ❧❡s ✜❣✉r❡s✺✳✶✶ ❡t✺✳✶✷✳

ture thermique à cette période est principalement contrôlée par les nuages, ce qui rend l’atmosphère très sensible à leurs propriétés.

11. Les températures du modèle sont optimales∗lorsque les propriétés microphysiques❱♦✐r ❧❛ ✜❣✉r❡✺✳✶✷✳ des nuages sont en accord avec les observations TES et OMEGA∗, ce qui confirme ❱♦✐r ❧❡s ✜❣✉r❡s✺✳✹

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une bonne représentation de leur effet radiatif par le GCM.

12. Le cycle des aérosols est analysé dans des conditions passées afin d’expliquer l’ori-gine des glaciations des moyennes latitudes Nord. Il est alors montré que cette gla-ciation est possible si des glaciers sont présents sur les volcans de Tharsis (ce qui est observé), et si l’obliquité avoisine 35◦. Dans ces conditions, l’opacité de pous-sière était probablement accrue du fait de l’intensification de la circulation méri-dionale (Newman et al.,2005), ce qui est représenté dans le modèle par une opacité de poussière comprise entre 1.5 et 2.5. L’accumulation de glace dans les moyennes

latitudes Nord de la planète∗est alors de 10 à 20 mm yr−1, ce qui est suffisant pour ❱♦✐r ❧❛ ❝❛rt❡

❞✬❛❝❝✉♠✉❧❛t✐♦♥✻✳✽✳

expliquer les structures observées.

13. La glaciation est permise par le chauffage de l’atmosphère par les poussières, qui entraîne une augmentation de la capacité en vapeur d’eau de l’atmosphère et une descente de la ligne de saturation des hautes latitudes vers les moyennes latitudes, où les glaciers sont observés. Les régions de précipitations sont alors contrôlées par les ondes stationnaires, expliquant la répartition longitudinale des dépôts gla-ciaires. Le rôle de l’effet radiatif des poussières, qui est central dans le climat actuel de la planète, l’était tout autant dans le passé, où il semble contrôler le déclenche-ment des ères glaciaires.

Chapitre 7. Conclusion et perspectives

14. Des études de sensibilité montrent que l’intensité de la glaciation varie fortement en fonction des paramètres orbitaux, ce qui devrait se traduire, en surface, par l’existence d’une complexe stratigraphie.

15. La rétroaction due à l’inertie thermique de la glace déposée est modélisée, et conduit à une diminution progressive du pic de température estival, aboutissant à une quasi-disparition de la sublimation des dépôts à cette saison. La glace tend donc à se préserver par son propre effet thermique, ce qui suggère une grande résistance à la sublimation des dépôts à travers les temps géologiques. Cela explique en partie pourquoi la glace est encore détectée dans les glaciers des moyennes latitudes au-jourd’hui (Plaut et al.,2009), malgré des milliers d’années de climat extrêmement aride.