Thèse financée en 2021:
Comprendre le climat et les orages d'Uranus et Neptune
[English below]
Grâce au projet ANR SOUND (Simulation and Observation of Uranus and Neptune atmospheric Dynamics), nous proposons une nouvelle thèse financée à l'Automne 2021 sur la modélisation de l'atmosphère de ces géantes glacées.
Malgré leur apparence paisible, Uranus et Neptune sont des mondes complexes dotés d'atmosphères actives. En effet, Neptune possède les vents les plus rapides du système solaire (atteignant 400m/s en plus d'être rétrogrades) et l'activité orageuse sur ces planètes n'a rien à envier à celle de Jupiter et Saturne. C'est surprenant quand on considère le peu d'insolation reçue par ces mondes très éloignés du soleil. Une question se pose donc : Quel est le phénomène responsable de l'intense activité météorologique sur les géantes glacées ?
Pour répondre à cette question, cette thèse va se concentrer sur une propriété originale des planètes géantes : au contraire de la vapeur d'eau sur Terre, les espèces qui peuvent condenser dans les atmosphères d'Uranus et Neptune (méthane, eau, etc.) sont plus denses que l'air environnant (principalement l'hydrogène). Cette situation rend la convection difficile à démarrer. Surtout que ces espèces chimiques sont très abondantes dans l'atmosphère des géantes glacées. Pour cette raison, la convection dans ces atmosphères devrait être dans un régime de forte intermittence où l'énergie convective peut être stockée pendant longtemps avant d'être relâchée en bref épisodes. Notre hypothèse est que ce régime est à l'origine d'intenses orages. À leur tour, ces orages pourraient être le moteur des vents intenses observés à l'échelle planétaire.
Pour tester cette hypothèse, le/la doctorant(e) étudiera l'activité orageuse sur les géantes glacées en utilisant un modèle numérique tri-dimensionnel de climat local (cloud-resolving model dans la communauté du climat terrestre) capable de résoudre les mouvements atmosphériques aux petites échelles nécessaires pour comprendre la convection et les orages. Avec ce modèle, nous chercherons à reproduire et à comprendre la fréquence, l'extension verticale et la durée de vie des orages sur ces planètes, et comment ces orages transfèrent de l'énergie et des espèces chimiques entre différentes couches de l'atmosphere. Une étude utilisant ce genre de modèle serait une première pour les géantes glacées.
En étant intégrée à un projet financé par l'Agence Nationale pour la Recherche (ANR) de plus grande envergure et impliquant trois laboratoires français (SOUND; Simulations and Observations of Uranus and Neptune atmospheric Dynamics), cette thèse va aussi chercher à étudier l'impact de ces orages sur la circulation planétaire à travers une collaboration étroite avec l'équipe de planétologie du Laboratoire de Météorologie Dynamique qui va, en parallèle, développer un modèle de climat global d'Uranus et Neptune. Toutes les prédictions faites avec ces différents outils seront comparées à de nouvelles observations réalisées au sein du projet.
Mieux comprendre ces atmosphères aura un impact dépassant largement le cadre du système solaire : La plupart des exoplanètes découvertes jusqu'ici semblent avoir des caractéristiques et une composition similaire à celle des géantes glacées, d'où leur nom de "mini-neptunes". Pour cette raison, Uranus et Neptune sont les planètes les plus analogues aux planètes les plus courantes dans l'univers, tout en restant les planètes les moins bien connues du système solaire. Comprendre leur atmosphère ouvrira donc aussi beaucoup de portes dans le domaine des exoplanètes.
Pour candidater, envoyez un CV et une lettre de motivation à jeremy.leconte at u-bordeaux.fr. Toute candidature faite avant le 17 mai 2021 sera pleinement prise en compte.
Funded PhD position starting in the Fall of 2021
Thanks to the ANR-funded SOUND project (Simulation and Observation of Uranus and Neptune atmospheric Dynamics), we will hire a PhD candidate on the study of storms on Uranus and Neptune.
Despite their seemingly quiet appearance, Uranus and Neptune are complex worlds, with active atmospheres. In fact, the strongest (retrograde) zonal winds in the Solar System are found on Neptune - reaching 400 m/s - and the vigorous storm activity on Uranus and Neptune easily competes with that of gas giants. This is surprising, as these far-away planets receive little energy from the Sun. This raises the questions of what powers the strong winds and meteorological activity of these planets.
To answer this question, this thesis will focus on a peculiar property of the ice giants: unlike water on Earth, the condensing species in Uranus and Neptune atmospheres (CH4, H2O, etc.) are heavier than the background gas (H2). This situation makes it harder for convection to occur. In addition, compared to Jupiter, these volatile species are expected to be much more abundant. The combination of these two facts entails that moist convection in Uranus and Neptune could be in a regime of strong intermittence where convective energy can be stored before being released in brief bursts. Our hypothesis is that moist convection in these atmospheres can trigger massive, intermittent storms. In turn, these storms could also contribute to power the strong planetary-scale zonal jets.
To test this hypothesis, we will study storm activity on ice giant planets with a convection-resolving model (also called cloud-resolving model in the Earth climate community). Unlike a global climate model, this class of regional models allows to resolve small-scale atmospheric motions like storms. With such a model, we aim at reproducing and understanding the lifetime, frequency, vertical extent of the storms on the ice giants, and how energy and trace species are injected from the lower to the upper troposphere. This will be the first such study on ice giants.
As part of a larger ANR founded project involving three french laboratories (SOUND; Simulations and Observations of Uranus and Neptune atmospheric Dynamics), this thesis will also aim at studying the impact of these storms on the planetary-scale circulation through a close collaboration with the planetology team at the Laboratoire de Meteorologie Dynamique who will, in parallel, develop a global climate model of the ice giants. All the predictions made with these various tools will be tested against state of the art observations that will be acquired as part of this project.
Answering these questions will have broader impacts and perspectives. Indeed, most exoplanets discovered so far are believed to have a bulk composition similar to ice giants (the so-called mini neptunes). For this reason, these planets are considered to be archetypes of the most common class of known exoplanets, and yet they are the least studied in our Solar System. Hence, studying atmospheric processes on Uranus and Neptune will have a strong impact on exoplanet science as well.
The successful candidate will be hosted by the LAB, located on the campus of the University of Bordeaux, in the beautiful city of Bordeaux, in southern France. The institute provides a dynamic and diverse environment for professional development, and a stimulating work environment. The PhD will have funds to attend international conferences.
Applicants should send a curriculum vitae and a motivation letter. Send all applications and information requests to jeremy.leconte at u-bordeaux.fr. Applications received before May 17, 2021 will be given full consideration.