When planets get too hot: exploration of the runaway greenhouse with 1-D and 3-D climate models

Diplôme Thèse When planets get too hot: exploration of the runaway greenhouse with 1-D and 3-D climate models eng 2023 2023 author Chaverot Guillaume 931039 director Bolmont Emeline 0000-0001-5657-4503 917038 Département d'astronomie (ASTRO) director Turbet Martin 915251 174 10.13097/archive-ouverte/unige:175116 urn:nbn:ch:unige-1751165 Sc. 5774 Depuis l'aube de l'humanité, une question qui anime les penseurs est celle de la vie. Le débat de ses origines, et de son unicité Terrestre est au cœur de presque toutes les religions. Les philosophes de l’antiquité ont tenté de répondre à cette question avec les moyens techniques limités dont ils disposaient. Le développement des technologies permet de nos jours d’observer l’Univers avec une précision inégalée. Depuis la détection de la première planète extra-solaire orbitant autour d’une étoile similaire au Soleil en 1995, Pegasi 51b, un nombre impressionnant de planètes aux caractéristiques variées ont été découvertes. Certaines sont semblables à Jupiter mais avec des températures extrêmes (les bien nommées Jupiter-chaudes), d’autres sont de taille et de masse similaires à notre Terre. L’étude de ces petites planètes rocheuses stimule le questionnement sur l’habitabilité. Sont-elles réellement similaires à la Terre ? Ou plutôt semblables à Vénus ? Ou même à Mars ? Peuvent-elles avoir de l’eau liquide à leur surface ? Ceci étant une condition indispensable à la vie telle qu’on la connaît. C’est dans ce contexte que se place mon travail de thèse. À l’aide de différents modèles numériques de climat 1-D et 3-D, j’ai étudié les processus majeurs, notamment le processus d’emballement de l’effet de serre, pouvant rendre une planète habitable totalement inhabitable. Ou devrais-je dire plutôt, éliminant toute possibilité d’eau en phase liquide à la surface de ces planètes. Les conditions régissant l'existence d'un climat dit "habitable" sont multiples et induisent une multistabilité climatique. J'ai donc également étudié la transition possible entre ces états, via une perturbation induite par un processus stochastique. Par ailleurs, la modélisation du climat n’est pas une science isolée. L’atmosphère est en interaction avec l'intérieur rocheux de la planète ainsi qu’avec son étoile. Le climat est donc influencé par de nombreux processus externes qu’il faut connaître afin de tendre à modéliser la réalité de la manière la plus exacte possible. De plus, la composition atmosphérique est un élément absolument central dans l’étude du climat. Nous le voyons avec le changement climatique terrestre induit par l'augmentation anthropique de CO2. J’ai donc par ailleurs étudié en détail la spectroscopie moléculaire nécessaire à la production de données essentielles aux modèles de climat. Ceci est une étape préliminaire importante afin de garantir la robustesse et la précision des modèles que l’on utilise pour décrire les exoplanètes. Finalement, la volonté de mieux comprendre les processus régissant le climat des petites planètes rocheuses tempérées s’inscrit dans une optique plus large, de renforcement de nos connaissances en vue de futures missions d’observation prometteuses. La quantité et la précision des données attendues vont nécessiter des outils performants pour être analysées. Dans ce processus, les modèles de climats vont certainement jouer un rôle clef. Since the dawn of humanity, one question that has animated philosophers is that of life. The debate about its origins, and its uniqueness on Earth, is at the heart of almost all religions. Ancient philosophers tried to answer this question with the limited technical means at their disposal. Nowadays, the development of technology allows us to observe the Universe with unprecedented precision. Since the detection of the first extra-solar planet orbiting a solar-type star named Pegasi 51b, in 1995, an impressive number of planets with various characteristics have been discovered. Some are similar to Jupiter but with extreme temperatures (so-called Hot-Jupiter), while others are similar in size and mass to our Earth. The study of these small, rocky planets raises questions about their habitability. Are they really Earth-like? Or more like Venus? Or even Mars? Can they have liquid water on their surface? This is an essential condition for life as we know it. This is the context of my PhD work. Using different 1-D and 3-D numerical climate models, I have studied the major processes, particularly the runaway greenhouse effect, which can turn a habitable planet into a totally uninhabitable planet. Or should I say, removing any possibility of water in liquid phase on the surface of these planets. The conditions governing the existence of a "habitable" climate are multiple and induce climate multistability. Therefore, I also studied the possible transition between these states, via a perturbation induced by a stochastic event. However, climate modelling is not an isolated science. The atmosphere interacts with the rocky interior of the planet, as well as with its host star. Climate is therefore influenced by numerous external processes, which must be understood in order to model reality as accurately as possible. Moreover, the atmospheric composition is absolutely pivotal to the study of climate. As we can see, the Earth's climate change is induced by an increase in anthropogenic CO2, modifying the climatic response. Therefore, I have also studied in detail the molecular spectroscopy needed to produce the data essential for climate models. This is an important preliminary step to guarantee the robustness and accuracy of the models we use to describe exoplanets. Finally, the aim to better understand the processes governing the climate of small, temperate, rocky planets is part of a broader effort to strengthen our knowledge for promising future observational missions. The quantity and precision of the expected data will require high-performance tools for analysis. Climate models will certainly play a key role in this process. Dewey 520 26 Département d'astronomie 12 false d259ccd1-9aa5-46de-bb7b-3e2cb1e1ccea Thesis Public Thesis_manuscript_FINAL.pdf 36930935 application/pdf 2f7c8d2dcd83b8c2f0030f9e8377be8782fabaa673dcd7bdfd0b533f494c6094 565cc7ec-ae21-4af8-888c-05687bd0b257 Imprimatur Public page_garde_these.png 5477247 image/png f1f63f97a44bba9608d347ef18e3965df723772ecc162e42486d2425d9084554 openAccess Faculté des sciences / Département d'astronomie

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When planets get too hot: exploration of the runaway greenhouse with 1-D and 3-D climate models				2023	414	63

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