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Doctorant(e) en planétologie H/F

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Informations générales

Référence : UMR8190-ANNMAA-001
Lieu de travail : PARIS 05
Date de publication : lundi 28 janvier 2019
Nom du responsable scientifique : Anni MÄÄTTÄNEN
Type de contrat : CDD Doctorant/Contrat doctoral
Durée du contrat : 36 mois
Date de début de la thèse : 1 octobre 2019
Quotité de travail : Temps complet
Rémunération : 1 768,55 € brut mensuel

Description du sujet de thèse

Sujet détaillé :

Contexte : Les nuages d'une atmosphère planétaire sont les objets météorologiques très complexes à modéliser, à cause de la large gamme d'échelles spatiales et temporelles mises en jeu. Cela s'étend du stade de nucléation à l'échelle moléculaire jusqu'à la couverture nuageuse s'étendant à plusieurs milliers de kilomètres. La modélisation des nuages a été identifiée comme le plus grand défi dans les simulations du climat terrestre par le GIEC [1].
Le CO2, composant majoritaire de l'atmosphère martienne, condense à la fois directement sur les calottes polaires pendant l'hiver, et dans l'atmosphère comme nuages (troposphère polaire et mésosphère équatoriale). Ces nuages sont observés depuis une décennie, mais leur modélisation représente un vrai défi. Dans la mésosphère, la rareté des noyaux de condensation et la faible densité de l'atmosphère conduisent à revoir la théorie de la microphysique. Dans la troposphère polaire, les nuages sont de type convectif et/ou générés par des ondes atmosphériques, et le couplage entre la dynamique des nuages et le dégagement de la chaleur latente est particulièrement rapide et intense.

Etat de l'art :
Plusieurs années de travail sur la modélisation de la microphysique des nuages de CO2 dans l'atmosphère martienne ont abouti à la création au LATMOS d'un outil sans précédent : un modèle réaliste de la microphysique des nuages de CO2 dans l'atmosphère de Mars [2,3]. Ce schéma de microphysique de CO2 complet a été récemment inclus dans le modèle de climat global martien (MGCM) du LMD, développé en collaboration entre le LATMOS et le LMD. Des premières simulations globales des formations nuageuses de glace de CO2 ont ainsi été obtenues pour la mésosphère de Mars, que nous avons comparées à la climatologie observée par diverses missions orbitales (Mars Express, Mars Reconnaissance Orbiter). Aujourd'hui, le LMD-MGCM est le modèle le plus avancé pour étudier les nuages de CO2 sur Mars grâce à la microphysique raffinée, le plafond élevé du modèle (150 km) permettant une bonne modélisation de la moyenne et la haute atmosphère, et un traitement correct de la condensation et de ses conséquences aux régions polaires. En plus, le LMD-MGCM et le modèle méso-échelle martien (MMM), aussi développé au LMD, partagent les mêmes paramétrisation physiques, permettant de transférer immédiatement la nouvelle microphysique aussi au MMM. Le modèle MMM, utilisé en plus haute résolution mais en zone plus limitée, permet aussi l'utilisation des résolutions spatiales et temporelles encore plus élevées (Cloud Resolving Model, CRM, ou Large-Eddy Simulation, LES), nécessaires pour l'étude des processus convectifs.

La question scientifique à laquelle le projet vise à répondre est :
1) Quels sont les processus dynamiques et les rétroactions qui entrent en jeu dans la formation et l'évolution des nuages de CO2 polaires, et dans la formation et précipitation de la neige carbonique ?

Méthodologie :
Le projet est basé sur la gamme d'outils développés au sein de notre équipe : ici plus précisément le modèle méso-échelle MMM et sa version à très haute résolution CRM.

La thèse sera focalisée sur la formation des nuages troposphériques de CO2 dans les régions polaires pendant l'hiver. Ces nuages sont convectifs et/ou générés par les ondes atmosphériques. Dans ces processus, le couplage entre la dynamique et le relâchement de la chaleur latente est fort. A cause de l'échelle des phénomènes (micro- ou méso-échelle) et de la dynamique impliquée, l'utilisation d'un modèle méso-échelle ou CRM s'avère nécessaire. Notre équipe a déjà publié des études pionnières sur des phénomènes similaires avec ces outils [4,5]. Le relâchement de la chaleur latente a un impact fort sur la dynamique des nuages par le processus dit « convection humide ». Les processus convectifs, qui impliquent des petites échelles spatiales et temporelles, seront étudiés avec le modèle CRM à haute résolution. L'influence des ondes sur la formation des nuages pourra être étudiée avec une plus basse résolution : le modèle MMM ou le MGCM. Cette dernière étude pourra nous permettre à expliquer sur un niveau plus fondamental l'effet du relâchement de la chaleur latente sur la dynamique du vortex polaire [6]. Ce type d'étude à petite échelle sur l'interaction de la convection humide et la circulation générale n'a jamais été effectué et pourrait donc produire des résultats avec un fort impact.

Ce projet implique la prise en main des modèles MMM et CRM (et potentiellement le MGCM) et la validation de la microphysique des nuages de CO2 en configuration méso-échelle aux régions polaires. Cela se fait en effectuant les premières simulations méso-échelle avec la microphysique de CO2 et en comparant les résultats à ceux du MGCM (déjà existants) et aux observations publiées [7,8,9]. Cette première étape de validation faite, la suivante sera d'augmenter la résolution du modèle, donc passer en mode CRM, et faire les premières simulations avec cette configuration.

Après la phase de validation du MMM et du CRM avec microphysique du CO2 en configuration polaire effectuée (premiers 6 mois), le projet se divisera en deux parties (d'une durée d'environ un an chacun). La première partie se focalisera sur le CRM et l'étude de la convection humide. La deuxième partie aura pour but d'étudier l'influence de la chaleur latente dégagée au cours de la condensation sur la dynamique à plus grande échelle.

Ce travail implique aussi un travail de visualisation des résultats de simulation et leur étude approfondie qui se fera avec les outils Python développés au LMD.


Résultats attendus : Simulations pionnières en méso-échelle à haute résolution (Cloud Resolving Model) des nuages de CO2 polaires et de leurs processus convectifs. Simulations pionnières de l'interaction entre les processus nuageux et la circulation à grande échelle avec le modèle méso-échelle et/ou le modèle global. Quantification de l'apport par la neige carbonique à l'accumulation de la calotte polaire saisonnière. Quantification de la quantité de chaleur latente dégagée pendant la nuit polaire et son effet sur la dynamique méso-échelle (convection « humide » et CAPE) et sur la dynamique grande échelle (vorticité potentielle du vortex polaire et les ondes baroclines des moyennes latitudes). Quantification de l'importance du couplage entre les nuages d'eau et les nuages de CO2 (les cristaux d'H2O sont des noyaux de condensation pour les cristaux de CO2).

2-3 articles peuvent être publiés pendant la thèse, et potentiellement 1-2 autres articles après la thèse.


Profil et compétences recherchées du candidat : M2 en physique de l'atmosphère, planétologie, astrophysique ou équivalent. Bonnes bases en mathématiques et physique (de préférence physique de l'atmosphère). Bonne connaissance d'informatique et expérience en programmation et des modèles atmosphériques (en Fortran) est un atout. Capacités de travail en équipe et en autonomie. Bon niveau d'anglais souhaité (lecture de bibliographie, présentations orales aux conférences internationales, rédaction des résumés et articles scientifiques).

Les candidatures doivent être déposées avant le 1er mai 2019 dans le portail emploi du CNRS et la demande d'inscription à l'Université doit être adressée à l'École doctorale 127: http://www.adum.fr/as/ed/voirproposition.pl?langue=fr&site=aaif&matricule_prop=22612


Références :
[1] Boucher, O., et al., 2013 : Clouds and Aerosols. In: Climate Change 2013: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change, Cambridge University Press, Cambridge, United Kingdom and New York, NY, USA.
[2] Listowski, C. et al. 2013, J. Geophys. Res. 118, 2153-2171, doi:10.1002/jgre.20149.
[3] Listowski, C. et al. 2014, Icarus 237, 239-261, doi:10.1016/j.icarus.2014.04.022.
[4] Spiga A., et al. 2013, J. Geophys. Res. 118, 746-767, doi:10.1002/jgre.20046.
[5] Spiga, A., et al. 2017, Nature Geosci. 10, 652–657 doi: 10.1038/NGEO3008.
[6] Toigo, A.D. et al. 2017, Geophys. Res. Lett. 44, 71–78, doi : 10.1002/2016GL071857.
[7] Pettengill, G.H., Ford, P.G., 2000. Geophys. Res. Lett. 27, 609–612.
[8] Ivanov, A.B., Muhleman, D.O., 2001. Icarus 154, 190–206.
[9] Hayne, P.O. et al. 2014, Icarus 231, 122-130, doi :10.1016/j.icarus.2013.10.020.

Contexte de travail

Le laboratoire LATMOS (UMR8190) est une unité mixte de recherche spécialisée dans l'étude des processus physico-chimiques fondamentaux régissant les atmosphères terrestre et planétaires et leurs interfaces avec la surface, l'océan, et le milieu interplanétaire. Il situé à Paris (campus UPMC, Sorbonne université, Jussieu) et à Guyancourt (Yvelines), hébergeant >200 personnes. L'étudiant(e) sera accueilli(e) dans le département de planétologie par l'équipe (4 chercheurs permanents) qui travaille sur les atmosphères planétaires. La thèse sera effectuée dans une collaboration entre le LATMOS et le LMD (co-direction avec A. SPIGA, LMD).

Informations complémentaires

Thèse financée par l'ANR (financement obtenu).

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