Planétologie comparée et atmosphères extraterrestres au LMD
Résumés
L’étude des climats et des atmosphères des mondes extraterrestres constitue une activité importante du Laboratoire de Météorologie Dynamique depuis plus de trois décennies. L’équipe « Planétologie » est reconnue internationalement pour le développement de modèles numériques de climat appliqués à l’ensemble des dix atmosphères du système solaire, et maintenant aux exo-atmosphères atour des autres étoiles. Les applications scientifiques sont innombrables. Forte de cette expertise, l’équipe s’est aussi impliquée activement dans les diverses missions spatiales qui ont ponctué ces dernières décennies, et le développement instrumental. Au sein d’un laboratoire comme le LMD, toutes ces recherches s’effectuent dans un esprit de « climatologie comparée », où l’étude des autres mondes permet de tester et améliorer les modèles et les théories développées dans le cadre terrestre.
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Mots-clés :
atmosphère, climats, planètes, modèles, Mars, Vénus, Jupiter, Saturne, Pluton, exoplanètes, missions spatialesKeywords:
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Introduction
1L’exploration du système solaire a révélé que la Terre et le Soleil sont accompagnés d’une étonnante variété de mondes, souvent complexes, actifs et toujours magnifiques. On y compte 80 planètes et lunes de plus de 500 km de diamètre. Parmi celles-ci, dix possèdent une vraie atmosphère, définie ici comme une enveloppe de gaz suffisamment dense pour porter des nuages, et être régie par les mêmes « équations de la météorologie » que sur Terre. Sauriez-vous les nommer ? Bien sûr il y a la Terre, puis ses voisines Vénus et Mars et leurs atmosphères de dioxyde de carbone. Viennent ensuite les quatre planètes géantes Jupiter, Saturne, Uranus et Neptune. La huitième atmosphère de la liste est Titan, la lune de Saturne entourée d’une atmosphère d’azote dix fois plus massive (par unité de surface) que celle de la Terre. Restent enfin les magnifiques Pluton et Triton (une lune de Neptune) qui possèdent chacune une fine atmosphère d’azote en équilibre avec des glaciers d’azote solide à la surface.
2Si l’exploration des autres planètes peut globalement se justifier par une simple quête de la connaissance, l'étude des autres atmosphères offre un intérêt spécifique : Elles sont riches d’enseignements pour notre compréhension du climat de la Terre car toutes ces atmosphères sont régies par la même physique. Ainsi, on retrouve ailleurs les processus clés du climat terrestre, comme les vents alizés, les « jet streams », les dépressions, la turbulence dans la couche limite, la condensation des nuages, la convection profonde, etc. Cette « climatologie comparée » s'apparente à ce qui est pratiqué en biologie et en médecine, où l’étude des autres animaux a permis de replacer le corps humain dans un cadre plus général. L’expertise acquise sur Terre aide à comprendre les autres mondes, et vice-versa.
3Dans cet esprit, des chercheurs et chercheuses du Laboratoire de météorologie dynamique (LMD) ont très tôt été contactés pour participer aux premières missions spatiales d’exploration du système solaire. Ainsi, dans les années 1970 les capteurs stratosphériques ultra-sensibles de l’équipe de Joelle Ovarlez ont été envisagés pour équiper la nacelle du projet franco-soviétique de ballon vénusien EOS, puis les sondes soviétiques Venera dans leur descente dans l’atmosphère de Vénus. De même l’expertise en spectroscopie de Alain Chédin et Noëlle Scott a été clé pour estimer la composition de l’atmosphère de Jupiter après son survol par les sondes Voyager en 1979.
4Quelques années plus tard cependant, c’est la modélisation numérique des climats planétaires qui sera à l’origine de l’équipe « Planétologie » du laboratoire dans les années 1990 et qui conduira le LMD à être impliqué dans de multiples missions d’exploration du système solaire. L’outil phare est le modèle de climat global (MCG, ou GCM en anglais), un simulateur complet de l’environnement basé sur les équations universelles de la physique. Toutes les atmosphères du système solaire ont été modélisées et étudiées au LMD. Les travaux ont été étendus aux planètes extrasolaires en orbite autour des autres étoiles. Détectées depuis 1995, leurs atmosphères sont de mieux en mieux caractérisées… et ce n’est que le début.
Les premiers modèles numériques des climats planétaires
5Le LMD a été créé en 1968 afin d’étudier le système climatique terrestre avec des méthodes scientifiques modernes, dont la modélisation numérique du climat. C’est cette expertise qui est sollicitée dès les années 1980s par les premiers astronomes français impliqués dans l’exploration du système solaire. Rassemblés dans le cadre de l’« Action Thématique sur Programme Planétologie », ils passent un message : « Chers collègues météorologues, que pensez-vous d’adapter votre modèle numérique de l’atmosphère terrestre à d’autres planètes ? ». En 1981, Olivier Talagrand, chercheur au LMD depuis sa création, et sur une suggestion originelle de Pierre Morel, répond à cet appel. Il recrute Jean-Louis Tourte pour une thèse visant à adapter Le Modèle de Climat Global du LMD à la planète Vénus. Le grand défi est de reproduire l’énigmatique « superrotation » vénusienne, qui fait que l’épaisse atmosphère tourne d’un seul mouvement dans le même sens que le globe solide mais beaucoup plus vite : en 4 jours terrestres à 60 km d’altitude (au sommet des nuages) contre 243 jours à la surface. Des résultats intéressants concernant le maintien de cette superrotation par la circulation de Hadley sont obtenus, mais le travail bute sur le problème de la non-conservation du moment cinétique dans la résolution des équations de l’hydrodynamique. Il sera résolu quelques années plus tard par Frédéric Hourdin, qui est le grand acteur de l’épisode suivant qui commence sur la planète Mars en 1989.
Modéliser le système climatique de la planète Mars
6Frédéric Hourdin est alors un jeune astrophysicien, major du Master (« DEA ») d’astrophysique de l’observatoire de Meudon, aguerri par une première expérience de recherche sur « La Nucléosynthèse Explosive ». Loin des supernovas, il choisit de faire de la météorologie en rejoignant Olivier Talagrand au LMD pour une thèse sur la modélisation des atmosphères de Mars et Titan. Dès le début un choix audacieux est fait : Plutôt que de se baser sur le modèle de climat du LMD historique et bien validé (« LMD5 » dans sa version d’alors), il est décidé de partir du tout nouveau « cœur dynamique » conçu par Robert Sadourny (alors directeur du LMD) et codé par l’ingénieur informaticien Phu Le Van. Ce nouveau code est propice au développement d’un cadre de programmation moderne et modulaire. Son utilisation sur plusieurs planètes oblige à formaliser un découpage entre les parties « physique » et « dynamique » qui sera conservée dans le modèle terrestre. Cela constituera plus tard un avantage pour paralléliser le code et utiliser d’autres cœurs dynamiques. Frédéric Hourdin s’investit dans l’ensemble des projets de modélisation des climats et progressivement s’éloignera des mondes extraterrestres pour prendre les rênes du modèle terrestre de nouvelle génération LMDZ qui est au cœur du modèle du système Terre de l’IPSL. En exagérant un peu, on peut presque affirmer que le modèle d’atmosphère de l’IPSL, utilisé pour tous les rapports du GIEC, a été adapté d’une ossature préparée pour d’autres mondes par un astrophysicien. Cela a des avantages : le travail sur Mars a par exemple révélé le problème de non conservation du moment cinétique évoqué plus haut et qui était à l’origine de vents trop forts et même d’explosions numériques. Pour résoudre ce problème, Frédéric Hourdin a complété les équations, et non seulement réparé le modèle martien, mais aussi amélioré la simulation des vents tropicaux (alizées, mousson) sur Terre.
7L’équipe se renforce ensuite avec François Forget. Ingénieur, il a déjà effectué un stage au LMD en 1991, puis a travaillé dans l’industrie off-Shore, avant d’être recruté au CNES pour préparer la mission spatiale russe Mars 98. Cette énorme sonde doit déployer dans le ciel martien un grand ballon du CNES avec une nacelle d’instruments. Pour ce programme Franco-russe, le jeune ingénieur est envoyé pour 16 mois… à la NASA, en Californie (l’époque était à la collaboration). Le projet de ballon sera développé, mais jamais lancé. Pour François Forget, l’expérience américaine au sein de chercheurs eux aussi investis dans l’étude et la modélisation de Mars est inspirante. A son retour il choisit de faire de la recherche et rejoint le LMD en 1993 pour une thèse de trois ans. En fait, ses travaux sur la modélisation de la planète Mars ne s’arrêteront plus, jusqu’à aujourd’hui.
8Il faut dire que, comme la plupart des projets de recherche réussis, le programme de modélisation de la planète Mars bénéficiera 1) de collaborations nationales et internationales et 2) de financements dans la durée (incluant des postes permanents). Les collaborations rassemblent notamment des chercheurs de l’université d’Oxford et de l’Open University en Angleterre, de l’Institut d’astrophysique d’Andalousie à Grenade, et du service d’Aéronomie du CNRS (devenu LATMOS). Les financements proviennent dès 1995 de l’Agence spatiale Européenne (ESA), bientôt rejointe par le CNES. Le nom de Jean-Paul Huot doit être cité ici : ingénieur à l’ESA, il devine le potentiel des nouveaux modèles du LMD et décide de financer des développements purement scientifiques en témoignant d’une confiance sans faille pour les chercheurs du LMD, malgré leur tâtonnement. Il transmet cet esprit à son homologue au CNES, Marie-Christine Desjean, soutien précieux et indéfectible. Les ressources de l’ESA puis du CNES permettent d’embaucher une succession d’ingénieurs informaticiens pour développer les modèles, et notamment en 2005 celui qui deviendra au CNRS le gardien de tous les modèles de l’équipe : Ehouarn Millour.
9Toutes ces bonnes volontés permettent de modéliser tous les aspects de l’environnement martien, du sous-sol jusqu’au sommet de la thermosphère, les calottes de glace carbonique, l’eau et les nuages, les tempêtes de poussière, la photochimie, etc... (Figure 1). Le modèle sert de plateforme pour de multiples découvertes et continue discrètement à tester certains aspects du modèle du système Terre. Il arrive aussi que des développements du MCG martien soient précurseurs par rapport à son grand-frère terrestre (extension à la thermosphère, microphysique des nuages, couche limite, etc.). Ainsi, après avoir soutenu une thèse sur les nuages martiens en 2011, Jean-Baptiste Madeleine sera recruté comme enseignant-chercheur Sorbonne université au LMD pour notamment se consacrer aux nuages et au climat de… l’Antarctique. Le modèle de climat global martien a été complété par des versions méso-échelles (10 km résolution) et micro-échelle (10 m de résolution) dans le cadre de la thèse soutenue en 2008 par Aymeric Spiga, enseignant-chercheur Sorbonne université dans l’équipe Planetologie du LMD depuis 2010. Tous ces outils sont aussi employés pour déchiffrer la géologie martienne en modélisant les paléoclimats de Mars, apportant à l’équipe une reconnaissance bien au-delà des spécialistes des sciences de l’atmosphère.
Figure 1 : Photographie de Mars par la sonde Rosetta comparée au modèle

Mars photographiée par la sonde Rosetta le 24 février 2007 (premier plan), comparé à une prédiction numérique de l’ozone atmosphérique à la même date réalisé avec le modèle de climat global du LMD.
©1) ESA/MPS for OSIRIS Team, MPS/UPD/LAM/IAA/RSSD/INTA/UPM/DASP/IDA. 2) F. Lefevre-F. Forget, CNRS
Titan, dès les origines
10En 1990, l’extraordinaire atmosphère de Titan est l’objet de toutes les attentions en Europe. L’Agence spatiale Européenne a prévu d’envoyer la sonde Huygens descendre dans son épaisse atmosphère d’azote et de méthane au travers des brumes organiques qui masquent sa surface. Les chercheuses et les chercheurs du projet (en particulier Daniel Gautier à l’Observatoire de Paris) encouragent le LMD à modéliser Titan sans tarder. Parallèlement à celui de Mars, Frédéric Hourdin et Olivier Talagrand créent donc le premier modèle de climat global de Titan. Les défis sont grands car le transfert radiatif dans une telle enveloppe gazeuse est complexe et les durées à modéliser sont longues (une année Titan dure 30 ans terrestres). Les données disponibles - essentiellement acquises par les sondes Voyager en 1980 et 1981 - sont encore très partielles. L’atmosphère semble en super-rotation selon des processus méconnus que le MCG du LMD aidera à mieux comprendre. Huygens et la sonde mère Cassini seront lancées en 1997. Huygens atteindra son objectif en janvier 2005 lors d’une journée historique, et Titan sera étudié sous toutes les coutures (c'est-à-dire, en langage de planétologue, à toutes les longueurs d’ondes) par Cassini jusqu’en 2017. Tout au long de cette aventure, le MCG Titan du LMD sera régulièrement amélioré et développé par Frédéric Hourdin puis Sébastien Lebonnois au LMD, et aussi Pascal Rannou (actuellement enseignement-chercheur à l’université de Reims). Ce modèle a contribué à expliquer de nombreux phénomènes sur Titan, et reste aujourd’hui l’objet de nombreux développements notamment pour préparer le prochain robot d’exploration de Titan : l’extraordinaire drone Dragonfly, qui devrait être lancé en 2028 par la NASA.
Explorateurs de la planète Mars
11Forte de l’expertise apportée par la modélisation du climat martien, l’équipe s’implique dès les origines dans l’exploration spatiale, l’analyse d’observations et même le développement instrumental. Les débuts sont difficiles : l’exploration de Mars des années 1990 est marquée par de multiples échecs, avec la perte durant le vol vers Mars de missions impliquant d’une manière ou d’une autre le LMD : Mars Observer (1993), Mars 96 (1996), Mars Climate Orbiter (1999) et Mars Polar Lander (1999).
12Les missions spatiales peuvent aussi échouer avant même de s’envoler. À partir de 1998, poussé par l’impétueux ministre de l’éducation et de la recherche Claude Allègre, le CNES a pour ambition de lancer un ambitieux programme de retour d’échantillons martiens avec la NASA. Après l’échec de toutes leurs missions fin 1999, les Américains jettent l’éponge. Le CNES décide d’adapter la contribution prévue sous la forme d’une mission à peine moins ambitieuse nommée Mars Premier. L’objectif est de déposer trois atterrisseurs géophysiques nommés Netlander complétés par un gros satellite d’observation. Pour ce dernier, soutenu par un laboratoire spécialisé en technique hyperfréquence à l’Observatoire de Paris et le Jet Propulsion Laboratory aux USA, François Forget propose de développer et envoyer autour de Mars le « Mars Atmosphere Microwave Brightness Observer » (MAMBO). Il s’agit d’un nouvel instrument qui permettrait de mesurer vents, températures, vapeur d’eau, gaz traces avec une précision sans précédent. L’instrument est sélectionné, et fait l’objet d’études et développements industriels approfondis, pour un lancement en 2007. Il est envisagé que l’atelier du LMD à Polytechnique fournisse une antenne rotative. Finalement, en 2003, à la suite du changement de gouvernement, le projet pourtant déjà bien avancé est annulé. MAMBO sort de la danse. Un projet équivalent (SOAR) sera proposé pour le Trace Gas Orbiter de l’ESA en 2010, mais il sera jugé bien trop coûteux…
13Un premier grand succès pour les planétologues européens arrive avec la sonde européenne Mars Express en 2003. Plusieurs membres de l’équipe vont s’investir, avec différents rôles, notamment pour contribuer à traiter les données des instruments français SPICAM et OMEGA. Le LMD publie ainsi les premières cartes de pression par télédétection, les premiers profils d’ozone, les premières mesures de la température et de la densité dans la très haute atmosphère (70-140 km), qui était encore une « ignorosphère » à l’époque.
14Dans la lignée de Mars Express, l’équipe aura la chance de s’impliquer officiellement (en tant que « Interdisciplinary Scientist » ou « co-investigator ») dans les grandes missions « satellite » des années 2000-2020, comme le Mars Reconnaissance Orbiter (NASA, en orbite depuis 2006), le Trace Gas Orbiter (ESA, depuis 2016, pour lequel Sandrine Guerlet au LMD prend en charge le traitement des données infrarouges thermiques) et le satellite Hope des Emirats Arabes Unis (depuis 2021). Hope est un projet étonnant, avec une équipe émiratie à très grande majorité féminine. C’est un grand succès scientifique grâce à une orbite innovante. Le LMD est le seul institut impliqué non émirati et non américain.
15Retour en 2003 : Sur Mars Express, la contribution britannique consiste en un petit atterrisseur audacieux nommé Beagle 2 (le HMS Beagle, premier du nom, était le navire qui avait emmené Charles Darwin faire le tour du monde…). La nuit de Noël 2003 Beagle 2 descend dans l’atmosphère comme prévu mais le contact est perdu. L’équipe du projet mène son enquête, et conclu que… c’est de la faute du LMD ! Son Beagle 2 mission report diffusé dans un grand concert médiatique conclut en effet que ``Beagle 2 was lost because of an anomalously low dense atmosphere" et que ``the atmosphere was very different to all the atmospheres that we had from the mathematical models". Le « mathematical model » utilisé pour prédire densités et températures n’est autre que le modèle martien du LMD. En fait, l'accusation détaillée dans le rapport s'appuie sur le premier profil de densité obtenu avec SPICAM peu après la perte de Beagle 2. Ce profil est en effet différent des prévisions fournies, mais il est faux ! Après correction de l'algorithme d'inversion, un nouveau profil réaliste est présenté, en accord avec les prévisions. L'équipe de Beagle 2 ne retient que le désaccord, et trouve là une bonne explication pour leur échec. Malgré la diffusion d'une note technique à l’ESA en septembre 2004 et les conclusions inverses de la Commission d'enquête de l'ESA et du gouvernement britannique, le père de la sonde Beagle 2, Colin Pillinger, continuera d'accuser notre modèle d’atmosphère jusqu’à sa mort en mai 2014. Ironie du sort, en décembre 2014 Beagle 2 sera retrouvé intact (mais inerte) par la caméra du satellite Mars Reconnaissance Orbiter. Colin Pillinger n’aura pas su que Beagle 2 avait bien traversé sain et sauf une atmosphère conforme aux prédictions du modèle.
16Les outils de modélisation du LMD ont joué un rôle clé pour la plupart des atterrissages de missions. Dans le cadre de contrats de type industriel, l’équipe a effectué de nombreux calculs pour les ingénieurs de l’ESA, de Thales-Alenia, de la NASA, et même de l’industrie chinoise, avec notamment un séjour de trois semaines de deux ingénieurs de la China Aerospace Science and Technology Corporation (CASC) en 2017. Citons en particulier les missions Exomars (ESA, reporté), Tianwen 1 et son rover Zhurong (Chine), Insight (NASA), et Schiaparelli (ESA). Le crash de Schiaparelli en 2016 reste un douloureux souvenir, compensé par le succès de l’atterrisseur géophysique Insight en 2018. Si Insight avait pour premier objectif d’étudier l’intérieur de Mars grâce au sismomètre SEIS fourni par la France, il était équipé d’excellents capteurs atmosphériques (Figure 2). Les équipiers du LMD, très impliqués, auront l’impression de disposer d’une véritable station météorologique privée pour leur recherche. Quelle chance !
17Au-delà de ces missions marquantes, dès les années 1990 et avec le soutien de l’ESA et du CNES, un ensemble d’outils permettant de représenter et prédire les environnements possibles sur Mars à partir des données du modèle a été créé pour fournir aux ingénieurs spatiaux et à la communauté scientifique des prédictions de vents, températures, densité, turbulence, composition de l’air, etc. Cette Mars Climate Database fait référence depuis plus de 20 ans et son succès ne se dément pas. Disponible en ligne sur le web, et en version « pro » sur commande (des centaines de DVD-ROM ont été envoyés avant que cette version pro ne soit téléchargeable), elle a été utilisée pour toute les missions spatiales vers Mars, et un nombre incalculable d’études dans une trentaine de pays.
Figure 2 : L’atterrisseur Insight sur le sol de Mars

L’atterrisseur Insight sur le sol de Mars, véritable station météorologique et géophysique, photographié par son bras robotique le 6 décembre 2018.
© NASA/JPL-Caltech
Modéliser les extrêmes : de Venus à Pluton
18Après la réussite des modèles de Mars et Titan, il était naturel de se tourner à nouveau vers notre voisine Vénus. Ce n’est pas une mince affaire. Il faut « plonger » dans cette atmosphère de CO2 90 fois plus massive que sur Terre, qui impose un effet de serre terrible (450°C au sol), en traversant les épais nuages sulfuriques qui masquent en permanence la surface. Pour les modélisateurs, avec en première ligne Sébastien Lebonnois qui vient d’être recruté au CNRS en 2004 (après un post-doc aussi au LMD sur la photochimie martienne), le premier défi est de réussir à calculer suffisamment rapidement les échanges radiatifs au sein de cette énorme atmosphère nuageuse opaque à de nombreuses longueurs d’ondes. Heureusement, Sébastien peut s’appuyer sur l’expertise des énergéticiens du LMD et l’astuce des « puissances nettes échangées » pour produire un premier modèle, toujours très utilisé aujourd’hui. La superrotation (évoquée plus haut) peut enfin être proprement modélisée. Ce nouveau modèle arrive à point nommé : Après de nombreuses années d’abandon de Vénus par les agences spatiales, l’ESA lance le satellite Venus Express en novembre 2005. Ce sera un grand succès et le modèle vénusien du LMD sera abondamment utilisé pour interpréter les observations acquises jusqu’au déclenchement du crash de la mission (en panne de carburant) fin 2014. Forte de ce modèle et de sa toute nouvelle Venus Climate Database, ainsi que d’une version méso-échelle développée par Maxence Lefèvre lors de sa thèse soutenue en 2018, l’équipe est désormais impliquée dans les missions de la prochaine vague d’exploration de Vénus, programmées pour le début des années 2030 (EnVision en Europe, DAVINCI aux États-Unis).
19À l’opposé du système solaire, là où les températures de surface passent au-dessous de -230°C, se trouvent les deux dernières atmosphères telluriques autour de Triton (une lune de Neptune, trente fois plus éloignée du Soleil que la Terre) et de la planète naine Pluton (un peu au-delà de l’orbite de Neptune). Par bien des aspects, la physique qui régit les atmosphères de ces mondes ressemble à celle de Mars en remplaçant le dioxyde de carbone par l’azote et l’eau par le méthane. Il était donc naturel de tester les modèles de climat global dans ces fines atmosphères. Plusieurs stages et thèses y sont consacrés à partir de 1999. Si Triton a été survolée, photographiée et étudiée par la sonde Voyager 2 en 1989, Pluton reste en grande partie inconnue jusqu’au 14 juillet 2015, date de son survol historique par la sonde NASA New Horizons. L’équipe du LMD a la chance d’être invitée à participer à cette mission et à l’analyse de ses données sans précédents. Le modèle de climat, unique au monde, permet de comprendre de nombreux phénomènes sur Pluton, à commencer par son célèbre « cœur » constitué d’un grand glacier de glace d’azote à l’équateur, dont l’origine est expliquée par le doctorant Tanguy Bertrand dans un article du journal Nature en 2016.
Le défi des planètes géantes
20Les quatre planètes géantes du Système Solaire que sont Jupiter, Saturne, Uranus et Neptune possèdent des atmosphères d’hydrogène et d’hélium s’étendant sur des milliers de kilomètres de profondeur. Sans surface (ni continent, ni océan), ces « planètes fluides » à rotation rapide constituent de gigantesques laboratoires naturels pour l’étude de la dynamique des fluides. Jupiter, la plus grande, est sans doute la plus iconique : ses bandes nuageuses sont façonnées par d’intenses courants-jets alternant vers l’est et l’ouest selon la latitude et sont parcourues de nombreux tourbillons de tailles variées, allant jusqu’à la monumentale Grande Tache Rouge, un anticyclone plus grand que la Terre elle-même. Saturne n’est pas en reste, avec des vents soufflant à 350 m/s à l’équateur (1 200 km/h), des tempêtes rares mais démesurées, et un curieux hexagone autour de son pôle nord, fruit des méandres réguliers d’un de ses courant-jets.
21Il suffit de regarder une image des nuages de Jupiter ou de Saturne pour comprendre que leur modélisation globale a longtemps semblé un défi insoluble pour les modélisateurs du climat. Pour pouvoir représenter l’écoulement il est nécessaire que la grille du modèle résolve des tourbillons qui ont à peu près la même taille que ceux qu’il faut résoudre sur Terre (~1 000 km), alors que la planète est 120 fois plus grande en superficie ! De plus, les atmosphères des planètes géantes sont profondes et évoluent avec des temps caractéristiques qui semblent dépasser les centaines d’années (la Grande Tâche Rouge de Jupiter est observée depuis au moins 1831).
22C’est donc avec l’état d’esprit de la citation de Mark Twain « il ne savait pas que c’était impossible, alors il l’a fait » que Thierry Fouchet, spécialiste des observations des planètes géantes à l’Observatoire de Paris, propose de s’attaquer à ce projet démesuré. En 2007 il demande à rejoindre l’équipe du LMD dans le cadre d’un grand projet européen « ERC » sur le sujet. Le projet est refusé (car « l’équipe proposée est trop inexpérimentée » ; Thierry Fouchet conclura gentiment que l’évaluateur n’avait pas compris que le candidat devait rejoindre le LMD). Malgré cet échec, l’idée fait son chemin. Il faut dire que Thierry Fouchet et sa doctorante Sandrine Guerlet viennent de découvrir dans les observations de la mission Cassini des signatures d'oscillations équatoriales dans la stratosphère de Saturne. Ces structures sont spectaculaires et semblent tout à fait modélisables ! C’est ce que se disent dès 2010 Aymeric Spiga lors de son recrutement enseignant-chercheur, puis Sandrine Guerlet (qui obtient un financement « retour post-doc » pour venir travailler au LMD sur le sujet en 2012 puis un poste au CNRS en 2014). Elle est spécialiste du transfert radiatif et lui, expert de dynamique atmosphérique. Ils unissent leurs expertises pour construire un premier modèle global de climat pour Saturne. Un élément essentiel dans la réussite du projet est l'utilisation du nouveau solveur numérique des équations de la dynamique nommé « DYNAMICO », développé au LMD sous la houlette de Thomas Dubos. Saturne sera le premier cas concret d'application de DYNAMICO (car Saturne a le bon goût d'être dénuée de surface). Par chance, l'équipe obtient un accès privilégié au nouveau supercalculateur Occigen du CINES (Centre informatique national de l'enseignement supérieur), via un « grand défi » qui octroie un large volume d'heures de calcul sur la machine encore en rodage. L’équipe bénéficie même d'un accès aussi luxueux qu'imprévu à la quasi-intégralité du super-calculateur à la suite d'une panne générale. Au redémarrage, les ingénieurs du CINES souhaitaient tester la majorité de ses 60000 processeurs avec une seule simulation et le modèle de Saturne est choisi pour cela. Une simulation Saturne obtenue avec une résolution globale exceptionnelle de 1/16e de degré longitude/latitude sera effectuée. Les images de ce calcul hors du commun sont encore utilisées aujourd’hui (Figure 3).
23La modélisation des planètes géantes, étendue à Jupiter, Uranus et Neptune est devenue un axe de recherche important au LMD, même si les simulations sont encore loin d’être complètement réalistes. Le rêve initial de Thierry Fouchet a été réalisé avec la publication en 2022 par la doctorante Deborah Bardet d'un article dans le journal Nature Astronomy démontrant à l'aide du modèle de climat global de Saturne les mécanismes à l'œuvre dans l'oscillation équatoriale observée par Cassini.
Figure 3 : La planète Jupiter

À gauche : Jupiter vue par la sonde NASA Juno en 2021. À droite : Simulation numérique de la « vorticité » d’une planète géante par le modèle de climat global du LMD en 2014.
© NASA/JPL-Caltech/SwRI/MSSS 2) A. Spiga (LMD/Sorbonne U.) - Y. Meurdesoif (LSCE/CEA)
La révolution des exo-atmosphères
24À partir de 1995, la découverte des premières planètes extrasolaires génère ou ravive de multiples questions scientifiques sur ces nouveaux mondes : quelles sont les atmosphères et climats possibles ? Quel est l’éventail plausible des régimes de circulation atmosphériques ? Que faut-il pour qu’une planète soit propice à l’eau liquide et à la vie ? Fort de l’expérience dans le système solaire et motivé par de multiples sollicitations de la communauté astrophysique, François Forget lance le projet un peu présomptueux de développer un modèle de climat global « générique » capable de simuler le climat sur n’importe quelle planète, quels que soient son étoile, son orbite et le cocktail de gaz et d’aérosols constituant son atmosphère. Le principal défi réside encore une fois dans la construction d’un code de transfert radiatif générique et suffisamment rapide.
25Un financement tombe à point lorsque l’équipe est lauréate de la Fondation Simone del Duca de l'Institut de France en 2007. À cette époque le prix de 140 000 euros est accordé comme une pure récompense : les lauréats sont libres d’en faire ce qu’ils veulent ! C’est exactement ce qu’il faut pour développer le modèle générique mégalomaniaque. Le prix permet notamment de recruter Robin Wordsworth, jeune docteur écossais spécialiste en dynamique des anneaux tournants mais qui fera merveille pour la modélisation des climats. Robin Wordsworth est à présent un célèbre professeur de planétologie à Harvard. Le développement du modèle générique du LMD est coordonnée au LMD par Martin Turbet, Ehouarn Millour et François Forget, mais il implique aussi plusieurs autres équipes notamment menées par d’anciens doctorants ou post-doc du LMD comme Benjamin Charnay, Jeremy Leconte, Laura Kerber ou Gabriella Gilli. De multiples projets voient le jour chaque année, visant à modéliser toutes sortes de planètes (« super-Terres », « planètes océans », « mini-Neptunes », « Jupiters chauds » etc.) et à interpréter les observations d’exo-atmosphères de plus en plus nombreuses à l’ère du télescope spatial James Webb.
26Parmi les tous premiers résultats, on peut citer la « découverte » en 2011 de la première exoplanète potentiellement habitable : Gliese 581d. Bien sûr le LMD n’a pas vraiment découvert le système planétaire de Gliese 581, mais après sa détection en 2007 par les astronomes des Observatoires de Grenoble et de Genève, la planète Gliese 581d semble trop froide pour pouvoir héberger de l’eau liquide et la vie. À la surprise générale, les simulations du modèle de climat générique montrent que, grâce au rayonnement particulier de son étoile et à sa rotation lente créant une circulation atmosphérique particulière le climat de Gliese 581d peut être compatible avec la formation d'océans. Comme c’est la première découverte du genre, Gliese 581d fait la une des journaux du monde entier. La suite de l’histoire est moins glorieuse : en 2014 des astronomes de l’université de Pennsylvanie ont révélé que le signal de détection de Gliese 581d était un artefact lié à l'activité de l'étoile elle-même, et que la planète n’existe probablement pas. Entre temps les chanteurs Salvatore Adamo et Oxmo Puccino, ont enregistré « Rendez-vous sur Gliese 581 ». Longtemps, longtemps après que les planètes aient disparu, leurs chansons courent encore dans les rues…
Conclusion
27L’étude des atmosphères planétaires, conçue à l’origine comme une simple extension des activités ‘terrestres’ du LMD, a largement dépassé ce qu’auraient permis les espoirs les plus optimistes. Dès le début, les « retombées » ont été fort utiles pour l’étude de l’atmosphère et du climat terrestres. Si l’essentiel de la renommée internationale de l’équipe « planétologie » du LMD d’aujourd’hui a été construite sur le développement et l’exploitation de modèles numériques de climat appliqués à l’ensemble des atmosphères du système solaire et maintenant à d’autres mondes exoplanétaires, elle s’est aussi impliquée activement dans les diverses missions spatiales qui ont ponctué ces dernières décennies. L’outil phare s’appelle désormais le Planetary Climate Model (PCM, modèle de climat planétaire), décliné sous ses diverses variantes (Mars PCM, Venus PCM, Titan PCM, Generic PCM, etc.) et dont les liens avec le modèle climatique terrestre restent forts. La communauté impliquée dans le développement de ces PCM a largement essaimé en France et dans le monde grâce au passage au LMD de nombreuses personnes brillantes, étudiantes-étudiants, chercheuses-chercheurs ayant poursuivi ailleurs leur contribution. Une aventure internationale aussi diverse et active que l’immensité des mondes possédant une atmosphère et désormais observables bien au-delà de notre étoile.
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Titre | Figure 1 : Photographie de Mars par la sonde Rosetta comparée au modèle |
Légende | Mars photographiée par la sonde Rosetta le 24 février 2007 (premier plan), comparé à une prédiction numérique de l’ozone atmosphérique à la même date réalisé avec le modèle de climat global du LMD. |
Crédits | ©1) ESA/MPS for OSIRIS Team, MPS/UPD/LAM/IAA/RSSD/INTA/UPM/DASP/IDA. 2) F. Lefevre-F. Forget, CNRS |
URL | http://journals.openedition.org/hrc/docannexe/image/12177/img-1.png |
Fichier | image/png, 447k |
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Titre | Figure 2 : L’atterrisseur Insight sur le sol de Mars |
Légende | L’atterrisseur Insight sur le sol de Mars, véritable station météorologique et géophysique, photographié par son bras robotique le 6 décembre 2018. |
Crédits | © NASA/JPL-Caltech |
URL | http://journals.openedition.org/hrc/docannexe/image/12177/img-2.png |
Fichier | image/png, 2,3M |
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Titre | Figure 3 : La planète Jupiter |
Légende | À gauche : Jupiter vue par la sonde NASA Juno en 2021. À droite : Simulation numérique de la « vorticité » d’une planète géante par le modèle de climat global du LMD en 2014. |
Crédits | © NASA/JPL-Caltech/SwRI/MSSS 2) A. Spiga (LMD/Sorbonne U.) - Y. Meurdesoif (LSCE/CEA) |
URL | http://journals.openedition.org/hrc/docannexe/image/12177/img-3.png |
Fichier | image/png, 849k |
Pour citer cet article
Référence électronique
François Forget, Sandrine Guerlet, Frédéric Hourdin, Sébastien Lebonnois, Ehouarn Millour, Aymeric Spiga, Olivier Talagrand et Martin Turbet, « Planétologie comparée et atmosphères extraterrestres au LMD », Histoire de la recherche contemporaine [En ligne], Tome XIII n°1 | 2024, mis en ligne le 04 février 2025, consulté le 11 mai 2025. URL : http://journals.openedition.org/hrc/12177 ; DOI : https://doi.org/10.4000/13dh8
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