Étude de la dynamique et de la composition des atmosphères des planètes géantes : préparation de la mission JUICE

Composition and dynamics of the atmospheres of giant planets : preparation of the JUICE mission

• Auteur / Autrice : Bilal Benmahi
• Direction : Thibault Cavalié
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Astrophysique, Plasmas, nucléaire
• Date : Soutenance le 13/09/2022
• Etablissement(s) : Bordeaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences physiques et de l’ingénieur (Talence, Gironde)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'Astrophysique de Bordeaux
• Jury : Président / Présidente : Benoît Lavraud
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Sandrine Guerlet, Denis Grodent
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Sandrine Vinatier, François Forget

Mots clés

Mots clés contrôlés

Dynamique

Transport quantique

Photochimie

Transfert radiatif

Planètes externes -- Atmosphères

Planètes externes

Mots clés libres

Planètes géantes

Atmosphères

Dynamique

Transfert radiatif

Photochimie

Transport électronique

Giant planets

Atmospheres

Dynamics

Radiative transfer

Photochemistry

Electronic transport

Résumé

Le Jupiter Icy Moon Explorer (JUICE) est la prochaine grande mission de l’Agence spatiale Européenne. JUICE embarquera 10 instruments et sera lancé en 2023 pour étudier le système jovien à partir de 2031 et pendant 4 ans. Parmi ses instruments, le Submillimeter Wave Instrument (SWI, PI P. Hartogh, MPS, Allemagne) nous intéresse plus particulièrement. Il s’agit d’un télescope de 29 cm de diamètre qui observera Jupiter et les satellites galiléens dans le domaine submillimétrique. SWI est destiné à étudier la composition ainsi que la dynamique des atmosphères de ces corps mais aussi les surfaces des satellites. Ce travail de thèse consiste à analyser et interpréter des observations de Jupiter et de Saturne, prises avec des télescopes au sol et spatiaux, pour préparer le programme scientifique de JUICE/SWI.Tout d’abord, nous avons étudié l’évolution temporelle de l’abondance d’H2O dans la stratosphère de Jupiter à partir de deux décennies de données recueillies par le télescope spatial Odin. Cette première étude nous permet notamment de prédire l’observabilité par SWI d’H2O dans la stratosphère de Jupiter grâce à nos modélisations photochimiques.Nous avons également analysé des observations ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array) de CO et d’HCN, qui ont initialement été déposés dans la stratosphère de Jupiter lors de la désintégration de la comète Shoemaker-Levy-9 en 1994. Comme H2O, ces composés seront observables dans les bandes spectrales de SWI. Nous avons développé une méthode qui permet de mesurer directement l’effet Doppler induit par les vents atmosphériques sur les raies spectrales, grâce à la très haute résolution spectrale et spatiale d’ALMA. Cette méthode, qui permet d’étudier la dynamique atmosphérique des planètes géantes, est basée sur la technique de modélisation Markov Chain Monte Carlo.Nos résultats dans la haute stratosphère de Jupiter indiquent que des jets sont présents dans la zone équatoriale. Ces mesures de vent, jumelées avec des mesures concomitantes de la température stratosphériques, nous ont permis de caractériser la circulation stratosphérique équatoriale grâce à l’équation du vent thermique. Nous avons ainsi mis en évidence un empilement vertical de jets équatoriaux dirigés alternativement vers l’ouest et vers l’est.Nous avons appliqué cette même technique de mesure de vents à des observations ALMA de CO et d’HCN dans la stratosphère de Saturne. Nos résultats révèlent une circulation équatoriale inédite. Nous retrouvons, en effet, le grand jet équatorial de Saturne, auparavant observé par Hubble et Cassini au niveau des nuages entre 60 et 2000 mbar de pression, à 0.1 mbar, c’est-à-dire 500 km plus haut que les observations Hubble et Cassini.Par ailleurs, nous avons découvert que les zones polaires de Jupiter et de Saturne sont le siège d’une chimie et d’une dynamique particulières. En effet, dans la stratosphère de Jupiter, nos observations Odin et ALMA montrent qu’H2O et HCN sont détruits plus rapidement dans ces zones qu’aux latitudes basses et moyennes. Par ailleurs, nous avons détecté la présence de jets auroraux qui sont positionnés sous les ovales auroraux nord et sud de Jupiter. Il semble qu’un jet similaire soit également présent sous l’ovale auroral nord de Saturne. Nous pensons que ces jets pourraient former des vortex géants jusqu’à l’ionosphère où une dynamique similaire a été détectée sur Jupiter. Il se pourrait donc que l’on soit en présence de vortex gigantesques qui participeraient au confinement de la matière dans les zones aurorales où des électrons énergétiques précipitent et contribuent à la chimie. C’est pourquoi nous avons développé un outil de modélisation du transport des électrons magnétosphériques afin de le coupler à un modèle photochimique ion-neutre dans les zones aurorales de Jupiter et ainsi mieux comprendre la chimie et la dynamique de ces régions particulière. À terme, nous prévoyons d’appliquer ce modèle également à Saturne.

The Jupiter Icy Moon Explorer (JUICE) is the next major mission of the European Space Agency. JUICE will embark 10 instruments and will be launched in 2023 to study the Jovian system from 2031 during 4 years. Among its instruments, we are particularly interested in the Submillimeter Wave Instrument (SWI, PI P. Hartogh, MPS, Germany). SWI is a 29 cm diameter telescope that will observe Jupiter and the Galilean satellites in the submillimeter range. SWI is intended to study the composition and the dynamics of the atmospheres of these bodies as well as the surfaces of the satellites. This thesis work consists in analyzing and interpreting observations of Jupiter and Saturn, taken with ground-based and space-based telescopes, to prepare the scientific program of JUICE/SWI.We first analyzed the temporal evolution of the H2O abundance in the Jupiter stratosphere with two decades of data collected by the Odin space telescope. This first study allows us to predict the observability of H2O in Jupiter’s stratosphere by SWI thanks to our photochemical modelling.We also analyzed ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array) observations of CO and HCN, two molecules initially deposited in Jupiter’s stratosphere during the impacts of comet Shoemaker-Levy-9 in 1994. Like H2O, these compounds will be observable in the SWI spectral bands. We have developed a method to directly measure the Doppler shift induced by atmospheric winds on the spectral lines, thanks to the very high spectral and spatial resolutions of ALMA. This method, which allows us to study the atmospheric dynamics of giant planets, is based on the Markov Chain Monte Carlo modeling technique.Our results in the upper stratosphere of Jupiter indicate that jets are present in the equatorial zone. These wind measurements, coupled with near-simultaneous measurements of stratospheric temperature, have allowed us to characterize the equatorial stratospheric circulation using the thermal wind equation. We found that westward and eastward jets are vertically stacked at the equator.We have also applied this wind measurement technique to ALMA observations of CO and HCN in Saturn's stratosphere. Our results reveal a surprising equatorial circulation. We observe at a pressure of 0.1 mbar the large equatorial jet of Saturn previously observed by Hubble and Cassini at the cloud level at pressures between 60 and 2000 mbar. Our observations demonstrate that this broad jet extends 500 km higher than the Hubble and Cassini observations.Moreover, we have discovered that unique chemistry and dynamics occur in the polar zones of Jupiter and Saturn. Indeed, in the stratosphere of Jupiter, our Odin and ALMA observations show that H2O and HCN are destroyed more rapidly in these zones compared to the low and middle latitudes. Moreover, we have detected the presence of auroral jets that are located under the northern and southern auroral ovals of Jupiter. It seems that a similar jet is also present under the northern auroral oval of Saturn. We think that these jets could form giant vortices up to the ionosphere where similar dynamics have been detected on Jupiter. It is therefore possible that we are in the presence of gigantic vortices that would participate in the confinement of matter in the auroral zones where energetic electrons precipitate and contribute to the chemistry. This is why we have finally developed a tool to simulate the transport of magnetospheric electrons in order to combine it with an ion-neutral photochemical model in the auroral zones of Jupiter to better understand the chemistry and dynamics of these particular regions. In the long term, we plan to apply this model to Saturn also.