Ce travail de thèse porte sur la compréhension du mécanisme dynamique de superrotation qui se produit dans les atmosphères de Vénus et Titan (satellite de Saturne), c'est à dire une rotation beaucoup plus rapide de l'atmosphère que celle de la "planète" solide. Ce phénomène dynamique, propre aux "corps telluriques" en rotation lente, est un sujet d'étude privilégié pour l'étude des mécanismes de transport atmosphérique. L'objectif est de comprendre et de contraindre les processus dynamiques qui entretiennent la superrotation en étudiant plus particulièrement le transport de moment cinétique (et de traceurs) par la circulation méridienne moyenne et les ondes. L'étude utilise le modèle 2D de circulation de Titan (modèle couplé dynamique-chimique-microphysique), et le modèle 3D de Vénus, encore en cours de développement au LMD. Les résultats récents fournis par les missions spatiales Cassini-Huygens et Venus Express ont servi à la validation des mécanismes dynamiques modélisés. <br /><br />Dans un premier temps, j'ai validé la circulation méridienne dans le modèle Titan, en comparant les observations et les distributions des composés chimiques modélisés, pour lesquels le transport joue un rôle déterminant. Cette circulation méridienne permet de valider les mécanismes dynamiques à l'origine de la superrotation dans le modèle, et d'interpréter les observations en terme de structures thermique, dynamique et chimique. <br /><br />En outre, les outils d'analyse que j'ai dévéloppés pour le modèle Vénus permettent d'une part de décrire les mécanismes de transport (de moment cinétique et de traceurs passifs) par la circulation méridienne moyenne et les ondes, et d'autre part de donner les principales caractéristiques de ces ondes (diagnostique des flux d'Eliassen Palm, analyse spectrale, etc.).<br /> Grâce à ces outils, mon travail de thèse montre que la circulation méridienne moyenne modélisée transporte le moment cinétique en altitude dans les régions équatoriales et vers les pôles au niveau de la branche supérieure des cellules de Hadley. Les instabilités barotropes des hautes latitudes interagissent avec l'écoulement moyen et créent des ondes de grande échelle qui vont ramener le moment cinétique vers l'équateur. Dans le modèle, ce sont les ondes de hautes fréquences, et en particulier les fameuses ondes à 4-5 jours terrestres observées au niveau des nuages, qui contribuent le plus à ce transport latitudinal, permettant ainsi de maintenir la superrotation équatoriale dans le modèle.

Comment la vie est-elle apparue sur la Terre ? Quelle chimie prébiotique1 a permis l'émergence d'une biochimie sur la Terre ? Des processus identiques ont-ils été, ou sont-ils encore, à l'oeuvre<br />ailleurs dans le Système solaire ? D'autres voies sont-elles possibles dans des environnements différents de ceux de la Terre primitive ? Quel est le degré de complexité chimique atteint dans<br />les différents environnements planétaires du Système solaire ?<br />Ces questions fondamentales servent de moteur à l'ensemble des travaux de recherche sur lesquels je travaille depuis le doctorat. En résumé, mes travaux sont orientés par des questions liées à<br />l'origine de la matière organique et aux processus qui participent à sa complexification dans les atmosphères et à la surface des corps du Système solaire. Mon outil d'investigation privilégié est la modélisation mais je m'intéresse aussi à l'observation des planètes et à l'analyse des molécules organiques dans la matière extraterrestre.

Cette thèse vise à mieux connaître la structure thermique de la haute atmosphère jovienne dans les régions polaires . Pour cela, deux points sont abordés : la caractérisation des ondes de gravité stratosphériques, et les variations de température dans l'ionosphère. L'étude d'occultations stellaires a permis d'obtenir des profils de température à haute altitude pour les deux hémisphères. Ces profils confirment l'augmentation de température stratosphérique lorsqu'on se rapproche des pôles. L'analyse temps-échelle de ces profils de température a permis de détecter des ondes de gravité, et d'en caractériser certains modes. Cette thèse développe également des méthodes d'étude, caractérise les limites de chaque méthode, et définit des stratégies d'observations pour la détection d'ondes de gravité. L'analyse de données du spectro-imageur BEAR portant sur les raies d'émission de H3+ dans l'infrarouge proche a ensuite permis de mettre en évidence des variations latitudinales et longitudinales de la température ionosphériques dans la zone aurorale, et de les relier aux variations d'abondance de H3+. Les avancées dans les deux domaines permettent de quantifier l'apport énergétique du déferlement d'ondes de gravité d'une part, et des précipitations aurorales d'autre part, au bilan thermique des thermosphères des planètes géantes.

Cette thèse porte sur l'étude des atmosphères de Titan et de la Terre primitive avec des modèles de circulation générale (GCM). Tout d'abord, j'ai analysé la structure thermique et la dynamique de la basse troposphère de Titan. Cette étude a abouti à une caractérisation complète de la couche limite et a révélé l'existence d'une circulation de couche limite, qui impacte tous les aspects de la météorologie titanienne (régimes de vents, ondes, formation des dunes et des nuages, échanges de moment cinétique et superrotation). A partir de cette analyse, j'ai proposé une nouvelle hypothèse pour expliquer l'orientation vers l'est des dunes de Titan grâce à un couplage entre les orages tropicaux et la superrotation. Ceci a été validé par des simulations méso-échelles et a permis de proposer un schéma global expliquant la formation des dunes et leurs différentes caractéristiques. J'ai ensuite participé au développement d'un GCM générique, conçu pour étudier tout type d'atmosphère. Je l'ai appliqué aux paléoclimats de Titan pour simuler une période où l'atmosphère a pu être dépourvue de méthane. Dans ce cas, le climat devait être différent d'aujourd'hui avec potentiellement des conséquences géologiques fondamentales notamment pour l'érosion et l'âge de la surface. Finalement, j'ai appliqué ce GCM générique au cas de la Terre primitive. J'ai montré que, malgré un soleil moins lumineux qu'aujourd'hui et des quantités de gaz à effet de serre contraintes par les archives minéralogiques, le climat de la Terre Archéenne a pu être tempérée. En particulier, grâce à une rétro-action nuageuse, la Terre aurait pu éviter une glaciation globale et rester propice au développement de la vie. / This thesis focuses on the study of the atmospheres of Titan and the early Earth with Global Climate Models (GCM). First, I analysed the thermal structure and the dynamics of Titan's lower troposphere. This analysis allowed a full caracterization of the planetary boundary layer and revealed the existence of a boundary layer circulation which impacts every aspect of Titan's weather (wind patterns, atmospheric waves, dune and cloud formation, exchange of momentum with the surface, and development of the superrotation). Thanks to this study, I proposed a new hypothesis to explain the eastward orientation of Titan's dunes that implies a coupling between tropical storms and the superrotation. This has been validated with mesoscale simulations and provided a general framework to explain Titan's dune formation and features. Then, I participated to the development of a generic GCM, designed to study any kind of atmosphere. I applied it to Titan's paleoclimates, when the atmosphere was depleted of methane. In such a case, the climate should have been different from today, with potentially fundamental geological consequences, in particular for the erosion and the age of the surface. Finally, I applied this GCM to the case of the early Earth using greenhouse gas abundances constrained by mineralogical data. I showed that despite a weaker solar insolation, the Archean Earth's climate may have been temperate. In particular, the Earth may have avoided a full glaciation and remained suitable for the development of life thanks to cloud feedback, even assuming a amount of CO2 just a little larger than today.

Cette thèse porte sur l'étude des atmosphères de Titan et de la Terre primitive avec des modèles de circulation générale (GCM). Tout d'abord, j'ai analysé la structure thermique et la dynamique de la basse troposphère de Titan. Cette étude a abouti à une caractérisation complète de la couche limite et a révélé l'existence d'une circulation de couche limite, qui impacte tous les aspects de la météorologie titanienne (régimes de vents, ondes, formation des dunes et des nuages, échanges de moment cinétique et superrotation). A partir de cette analyse, j'ai proposé une nouvelle hypothèse pour expliquer l'orientation vers l'est des dunes de Titan grâce à un couplage entre les orages tropicaux et la superrotation. Ceci a été validé par des simulations méso-échelles et a permis de proposer un schéma global expliquant la formation des dunes et leurs différentes caractéristiques. J'ai ensuite participé au développement d'un GCM générique, conçu pour étudier tout type d'atmosphère. Je l'ai appliqué aux paléoclimats de Titan pour simuler une période où l'atmosphère a pu être dépourvue de méthane. Dans ce cas, le climat devait être différent d'aujourd'hui avec potentiellement des conséquences géologiques fondamentales notamment pour l'érosion et l'âge de la surface. Finalement, j'ai appliqué ce GCM générique au cas de la Terre primitive. J'ai montré que, malgré un soleil moins lumineux qu'aujourd'hui et des quantités de gaz à effet de serre contraintes par les archives minéralogiques, le climat de la Terre Archéenne a pu être tempérée. En particulier, grâce à une rétro-action nuageuse, la Terre aurait pu éviter une glaciation globale et rester propice au développement de la vie.

Cette thèse se penche sur la propagation d’ondes au sein du système coupléTerre-océan-atmosphère. La compréhension de ces phénomènes a une importance majeure pour l’étude de perturbations sismiques et d’explosions atmosphériques notamment dans le cadre de missions spatiales planétaires. Les formes d’ondes issues du couplage fluide-solide permettent d’obtenir de précieuses informations sur la source du signal ou les propriétés des milieux de propagation. On développe donc deux outils numériques d’ordre élevé pour la propagation d’ondes acoustiques et de gravité. L'u en différences finies et se concentre sur le milieu atmosphérique et la propagation d’ondes linéaires dans un milieu stratifié visqueux et avec du vent. Cette méthode linéaire est validée par des solutions quasi-analytiques reposant sur les équations de dispersion dans une atmosphère stratifiée. Elle est aussi appliquée à deux cas d’études : la propagation d’ondes liée à l’impact d’une météorite à la surface de Mars (mission NASA INSIGHT), et la propagation d’ondes atmosphériques liées au tsunami de Sumatra en 2004. La seconde méthode résout la propagation non-linéaire d’ondes gravito-acoustiques dans une atmosphère couplée, avec topographie, à la propagation d’ondes élastiques dans un solide visco-élastique. Cette méthode repose sur sur le couplage d’une formulation en éléments finis discontinus, pour résoudre les équations de Navier-Stokes la partie fluide, par éléments finis continus pour résoudre les équations de l’élastodynamique dans la partie solide. Elle a été validée grâce à des solutions analytiques ainsi que par des comparaisons avec les résultats de la méthode par différences finies. / This thesis deals with the wave propagation problem within the Earth-ocean-atmosphere coupled system. A good understanding of the these phenomena has a major importance for seismic and atmospheric explosion studies, especially for planetary missions. Atmospheric wave-forms generated by explosions or surface oscillations can bring valuable information about the source mechanism or the properties of the various propagation media. We develop two new numerical full-wave high-order modeling tools to model the propagation of acoustic and gravity waves in realistic atmospheres. The first one relies on a high-order staggered finite difference method and focus only on the atmosphere. It enables the simultaneous propagation of linear acoustic and gravity waves in stratified viscous and windy atmosphere. This method is validated against quasi-analytical solutions based on the dispersion equations for a stratified atmosphere. It has also been employed to investigate two cases : the atmospheric propagation generated by a meteor impact on Mars for the INSIGHT NASA mission and for the study of tsunami-induced acoutic and gravity waves following the 2004 Sumatra tsunami. The second numerical method resolves the non-linear acoustic and gravity wave propagation in a realistic atmosphere coupled, with topography, to the elastic wave propagation in a visco-elastic solid. This numerical tool relies on a discontinuous Galerkin method to solve the full Navier-Stokes equations in the fluid domain and a continuous Galerkin method to solve the elastodynamics equations in the solid domain. It is validated against analytical solutions and numerical results provided by the finite-difference method.

Le milieu interstellaire ainsi que certaines atmosphères de corps planétaires, en particulier Titan, un des plus grands satellites du système solaire, présentent une grande diversité d'espèces chimiques. Cette chimie complexe est très différente de celle que nous connaissons sur Terre. Pour comprendre les phénomènes globaux qui s'y déroulent, une connaissance des réactions chimiques, de leur vitesse et de leurs produits est requise. A l'aide de la technique CRESU, nous sommes capables de reproduire certaines conditions des milieux les plus froids de l'espace et d'étudier ces réactions. / The interstellar medium and some atmospheres of planetary bodies, in particular Titan, one of the largest satellites of Saturn, present a large variety of chemical species. This complex chemistry is very different from the one we know on Earth. To understand the global phenomenon that happen in these environments, we need to understand the chemical reactions, their reaction rate and their products. With the CRESU technique, we are able to reproduce partially the coldest environments of space to study these reactions.