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Mots clés
Mécanique des fluides, Atmosphères, Exoplanètes, Simulations
Profil et compétences recherchées
Compétences et intérêt pour la mécanique des fluides, la modélisation des atmosphères et les simulations numériques. Compétences de programmation dans un langage utilisé en calcul scientifique (Python, Julia, C++, Fortran, etc.).
Résumé du projet de thèse
La marée thermique atmosphérique est la perturbation périodique résultant du chauffage de l’atmosphère par le flux stellaire incident, qui varie entre le côté jour et le côté nuit. Cette perturbation se traduit par une oscillation des différents champs décrivant l’état de l’atmosphère (température, pression, densité, vents, etc.) au voisinage d’un état d’équilibre. Elle s’accompagne également d’une redistribution de masse à l’échelle globale, induisant ainsi un couple de marée et, par conséquent, une évolution de la rotation de la planète sur de grande échelles de temps. Les marées thermiques atmosphériques peuvent agir sur la rotation à l’opposé des marées gravifiques, ce qui les rend capables de maintenir une planète hors de la rotation synchrone, comme cela a été démontré dans le cas de Vénus (Correia & Laskar 2001).
A quelques rares exceptions près (Leconte et al. 2015, Auclair-Desrotour et al. 2019, Wu et al. 2023), l’effet des marées thermiques sur la rotation des planètes a jusqu’à présent été essentiellement étudié à l’aide de la théorie classique des marées (e.g. Lindzen & Chapman 1969), qui permet d’obtenir solutions explicites, mais au prix d’un nombre important de simplifications. Ces limites requièrent de mener également des études numériques abordant le phénomène dans toute sa complexité.
Au cours de cette thèse, nous chercherons à caractériser la marée thermique atmosphérique et à contraindre le couple associé en utilisant le modèle de circulation générale (GCM) du Laboratoire de Météorologie Dynamique (LMD), qui résout les équations primitives 3D de la dynamique atmosphérique via la méthode des volumes finis. Nous partirons pour cela de planètes semblables à la Terre, pour explorer plus largement l’espace des paramètres dans un second temps.
La thèse pourra être orientée vers l’étude de la sensibilité de la marée thermique atmosphérique à divers paramètres clés, tels que la pression de surface, l’irradiation stellaire, la composition atmosphérique, ou la topographie de la surface solide. Il sera envisageable d’examiner les différences ou similarités existant entre les marées thermiques d’obliquité et d’excentricité, dont l’effet sur la rotation demeure peu contraint, et les marées semi-diurnes, qui ont déjà fait l’objet de plusieurs travaux. Nous pourrons également caractériser la réponse de marée de planètes extrasolaires spécifiques, comme les planètes du système TRAPPIST-1, et ainsi statuer sur l’existence de potentiels états asynchrones maintenus par la marée thermique.
Ce sujet présente une problématique générale qui ouvre la porte à une grande variété d’axes d’étude possibles. Il prend appui sur les avancées récentes obtenues dans le cas de la Terre à travers l’approche analytique (Farhat et al. 2024, sous presse), et pourra aboutir à de nouvelles prescriptions de référence pour la prise en compte des marées thermiques atmosphériques dans les modèles d’évolution planétaire.
Thématiques
Astrophysique théorique, Mécanique des fluides, Atmosphères, Planètes terrestres, Méthodes numériques
Objectif et contexte
Le but du travail est d’obtenir des contraintes sur les différents effets des marées thermiques atmosphériques ayant un impact sur l’évolution des systèmes planétaires, la rotation des planètes, et leur climat. Les principales quantités à quantifier sont le couple de marée exercé sur la planète, l’énergie dissipée et le chauffage associé.
Plusieurs missions, dont le télescope spatial James Webb (JWST), donnent accès à de nombreuses observations de planètes rocheuses voisines de la Terre en terme de taille, de masse et de conditions de surface. Ces observations permettent de mieux caractériser la nature de ces corps et potentiellement d’inférer des signatures des effets de marées.
En outre, les mesures barométriques des stations météorologiques fournissent, pour les marées thermiques terrestres, une quantité abondante de contraintes observationnelles pouvant être utilisées pour valider les prédictions des modèles.
Méthode
Méthodes numériques, simulations numériques.
Résultats attendus
Contraintes sur le couple, la dissipation d’énergie et le chauffage de marée pour des planètes rocheuses de caractéristiques diverses et variées. Analyse des perturbations de marées associées.
Précision sur l’encadrement
Thèse réalisée à l’IMCCE (Paris), encadrement principal assuré par P. Auclair-Desrotour, et co-encadrement par J. Laskar et G. Boué. Réunions bilan régulières, à une fréquence à définir avec l’étudiant (hebdomadaires par exemple).
Conditions scientifiques matérielles (conditions de sécurité spécifiques) et financières du projet de recherche
Pas de conditions de sécurité spécifiques. Financement de matériel et missions via les crédits de l’équipe Astronomie et Systèmes Dynamiques (ASD) de l’IMCCE.
Objectifs de valorisation des travaux de recherche du doctorant : diffusion, publication et confidentialité, droit à la propriété intellectuelle, …
Diffusion des résultats de recherche dans des revues à comité de lecture, conférences et séminaires scientifiques. Mise en ligne des outils développés (codes d’analyse des solutions numériques) possible et souhaitable.
Collaborations envisagées
Collaboration avec M. Farhat (IMCCE) sur la théorie des marées thermiques, et avec B. Charnay (LESIA), G. Avice (IPGP) et G. Le Hir (IPGP) sur la modélisation des atmosphères planétaires.
Ouverture Internationale
Pas de partenariat à l’étranger.
Références bibliographiques
- Lindzen R., Chapman S., 1969, Space Science Reviews, 10, 1 ;
- Correia A. C. M., Laskar J., 2001, Nature, 411, 6839 ;
- Covey C., Dai A., Marsh D., Lindzen R., 2011, Journal of the Atmospheric Sciences, 68, 3 ;
- Covey C., Dai A., Lindzen R., Marsh D., 2014, Journal of the Atmospheric Sciences, 71, 6 ;
- Schindelegger M., Ray R., 2014, Monthly Weather Review, 142, 12 ;
- Leconte J., Wu H., Menou K., Murray N., 2015, Science, 347, 6222 ;
- Auclair-Desrotour P., Leconte J., Mergny C., 2019, Astronomy & Astrophysics, 624, A17 ;
- Wu H., Murray N., Menou K., Lee C., Leconte J., 2023, Science Advances, 9, 27 ;
- Farhat M., Auclair-Desrotour P., Boué G. Deitrick R., Laskar J., 2024, Astronomy & Astrophysics, arXiv:2309.11946.