Climate sensitivity to ozone and its relevance on the habitability of Earth-like planets

Atmospheric ozone plays an important role on the temperature structure of the atmosphere. However, it has not been included in previous studies on the effect of an increasing solar radiation on the Earth’s climate. Here we study the climate sensitivity to the presence/absence of ozone with an increasing solar forcing for the first time with a global climate model. We show that the warming effect of ozone increases both the humidity of the lower atmosphere and the surface temperature. Under the same solar irradiance, the mean surface temperature is 7 K higher than in an analogue planet without ozone. Therefore, the moist greenhouse threshold, the state at which water vapor becomes abundant in the stratosphere, is reached at a lower solar irradiance (1572 W/m2 with respect to 1647 W/m2 in the case without ozone). Our results imply that ozone reduces the maximum solar irradiance at which Earth-like planets would remain habitable

Climate sensitivity to carbon dioxide and moist greenhouse threshold of earth-like planets under an increasing solar forcing

Carbon dioxide is one of the major contributors to the radiative forcing, increasing both the temperature and the humidity of Earth's atmosphere. If the stellar irradiance increases and water becomes abundant in the stratosphere of an Earth-like planet, it will be dissociated and the resultant hydrogen will escape from the atmosphere. This state is called the moist greenhouse threshold (MGT). Using a global climate model (GCM) of intermediate complexity, we explore how to identify this state for different CO2 concentrations and including the radiative effect of atmospheric ozone for the first time. We show that the MGT correlates with the in ection point in the water vapor mixing ratio in the stratosphere and a peak in the climate sensitivity. For CO2 concentrations between 560 and 200 ppm, the MGT is reached at a surface temperature of 320 K. Despite the higher simplicity of our model, our results are consistent with similar simulations without ozone by complex GCMs, suggesting that they are robust indicators of the MGT. We discuss the implications for the inner edge of the habitable zone as well as the water loss timescales for Earth analog planets

Spectrophotométrie de l'émission infrarouge des exoplanètes telluriques

Le signal thermique d'une exoplanète tellurique est une clé pour caractériser les propriétés physiques et chimiques de son atmosphère. La résolution spectrale, et donc la caractérisation spectrale que nous pouvons réaliser des planètes extrasolaires, est malheureusement très limité, en particulier pour les planètes similaires à la Terre. Dans cette thèse, j'ai étudié la possibilité de caractériser des exoplanètes telluriques par l'analyse de la variabilité de son émission infrarouge. L'émission thermique apparente est en effet modulée par les saisons, la rotation de la planète, le mouvement et la variabilité des nuages, la phase orbitale, et aussi par la présence des satellites naturels.Premièrement, nous avons étudié l' émission thermique de la Terre vue en tant que point-source distante, ainsi que la variabilité et la dépendance du signal de la géométrie d'observation. J'ai modélisé l'émission de la Terre à l'aide des données satellitaires et des données produites par des modèles de circulation général (GCMs) du Laboratoire de Météorologie Dynamique de Paris (LMD), en comparant les deux types de données afin de valider les simulations.Pendant la deuxième partie de mon travail, j'ai utilisé des donnés du GCM pour modéliser des planètes telluriques qui diffèrent de la Terre par seulement un ou deux paramètres tels que: la vitesse de rotation (y compris des planètes synchrones), une surface planétaire entièrement recouverte par la glace ou de l'eau, l'obliquité de l'axe de rotation ou l'excentricité de l'orbite. Pour toutes ces planètes virtuelles, j'ai étudié le climat, déduit les propriétés physiques de la planète, et produit et analysé les signaux intégrés associés à différentes géométries d'observation.La dernière partie de la thèse est un travail préliminaire qui consiste en ne plus considérer l'émission bolométrique mais le signal de bandes spectrales étroites, grâce à une nouvelle génération de GCM. Parce que chaque bande explore un niveau spécifique dans l'atmosphère, l'étude de la variation du spectre en comparant les variabilités photométriques entre les bandes, permet d'étudier la dynamique, la composition, la distribution et l'évolution de l'atmosphère de la planète, ce qui ouvre un champ encore inexploré pour la caractérisation des exoplanètes.The thermal emission received from a planet is a key to characterize the physical and chemical properties of its atmosphere. The spectral resolution, and therefore the spectral characterization that we can achieve for extrasolar planets is unfortunately very limited in particular for terrestrial planets. In this thesis, we study the possibility to characterize an Earth-like exoplanet by the analysis of the broadband infrared emission variability. The apparent thermal emission is indeed modulated by the seasons, the rotation of the planet, the motion and variability of atmospheric patterns and clouds, the orbital phase, and even the presence of a moon. As a reference case, we have studied the thermal emission of the Earth seen as a distant point-source, as well as the variability and the dependency of the signal on the observation geometry. We have modeled the emission of the Earth using data derived from observations and data produced by a General Circulation Models (GCMs), comparing both types of data in order to validate our simulations.As a second part of our work, we have used the GCM to model Earth-like planets that differ from the Earth by a few parameters such as different rotation rates (including tidally-locked planets), a planetary surface completely covered by ice or water, different obliquities and eccentricities. For all these virtual planets, we have studied the climate derived from the physical properties and the photometric infrared signal associated with them.The last part of the thesis is a preliminary work that no longer consider the bolometric emission but the signal from narrow spectral bands, thanks to a new generation of GCMs. Because each band probes a specific level in the atmosphere, studying how the low resolution spectrum of the planets varies by comparing the photometric variabilities between bands, we can study the dynamics, composition, distribution and evolution of the atmosphere of the planet, which it opens a yet unexplored field for the characterization of exoplanets

Spectrophotometry of the infrared emission of Earth-like Planets

The thermal emission received from a planet is a key to characterize the physical and chemical properties of its atmosphere. The spectral resolution, and therefore the spectral characterization that we can achieve for extrasolar planets is unfortunately very limited in particular for terrestrial planets. In this thesis, we study the possibility to characterize an Earth-like exoplanet by the analysis of the broadband infrared emission variability. The apparent thermal emission is indeed modulated by the seasons, the rotation of the planet, the motion and variability of atmospheric patterns and clouds, the orbital phase, and even the presence of a moon. As a reference case, we have studied the thermal emission of the Earth seen as a distant point-source, as well as the variability and the dependency of the signal on the observation geometry. We have modeled the emission of the Earth using data derived from observations and data produced by a General Circulation Models (GCMs), comparing both types of data in order to validate our simulations.As a second part of our work, we have used the GCM to model Earth-like planets that differ from the Earth by a few parameters such as different rotation rates (including tidally-locked planets), a planetary surface completely covered by ice or water, different obliquities and eccentricities. For all these virtual planets, we have studied the climate derived from the physical properties and the photometric infrared signal associated with them.The last part of the thesis is a preliminary work that no longer consider the bolometric emission but the signal from narrow spectral bands, thanks to a new generation of GCMs. Because each band probes a specific level in the atmosphere, studying how the low resolution spectrum of the planets varies by comparing the photometric variabilities between bands, we can study the dynamics, composition, distribution and evolution of the atmosphere of the planet, which it opens a yet unexplored field for the characterization of exoplanets.Le signal thermique d'une exoplanète tellurique est une clé pour caractériser les propriétés physiques et chimiques de son atmosphère. La résolution spectrale, et donc la caractérisation spectrale que nous pouvons réaliser des planètes extrasolaires, est malheureusement très limité, en particulier pour les planètes similaires à la Terre. Dans cette thèse, j'ai étudié la possibilité de caractériser des exoplanètes telluriques par l'analyse de la variabilité de son émission infrarouge. L'émission thermique apparente est en effet modulée par les saisons, la rotation de la planète, le mouvement et la variabilité des nuages, la phase orbitale, et aussi par la présence des satellites naturels.Premièrement, nous avons étudié l' émission thermique de la Terre vue en tant que point-source distante, ainsi que la variabilité et la dépendance du signal de la géométrie d'observation. J'ai modélisé l'émission de la Terre à l'aide des données satellitaires et des données produites par des modèles de circulation général (GCMs) du Laboratoire de Météorologie Dynamique de Paris (LMD), en comparant les deux types de données afin de valider les simulations.Pendant la deuxième partie de mon travail, j'ai utilisé des donnés du GCM pour modéliser des planètes telluriques qui diffèrent de la Terre par seulement un ou deux paramètres tels que: la vitesse de rotation (y compris des planètes synchrones), une surface planétaire entièrement recouverte par la glace ou de l'eau, l'obliquité de l'axe de rotation ou l'excentricité de l'orbite. Pour toutes ces planètes virtuelles, j'ai étudié le climat, déduit les propriétés physiques de la planète, et produit et analysé les signaux intégrés associés à différentes géométries d'observation.La dernière partie de la thèse est un travail préliminaire qui consiste en ne plus considérer l'émission bolométrique mais le signal de bandes spectrales étroites, grâce à une nouvelle génération de GCM. Parce que chaque bande explore un niveau spécifique dans l'atmosphère, l'étude de la variation du spectre en comparant les variabilités photométriques entre les bandes, permet d'étudier la dynamique, la composition, la distribution et l'évolution de l'atmosphère de la planète, ce qui ouvre un champ encore inexploré pour la caractérisation des exoplanètes

Spectrophotométrie de l'émission infrarouge des exoplanètes telluriques

Le signal thermique d'une exoplanète tellurique est une clé pour caractériser les propriétés physiques et chimiques de son atmosphère. La résolution spectrale, et donc la caractérisation spectrale que nous pouvons réaliser des planètes extrasolaires, est malheureusement très limité, en particulier pour les planètes similaires à la Terre. Dans cette thèse, j'ai étudié la possibilité de caractériser des exoplanètes telluriques par l'analyse de la variabilité de son émission infrarouge. L'émission thermique apparente est en effet modulée par les saisons, la rotation de la planète, le mouvement et la variabilité des nuages, la phase orbitale, et aussi par la présence des satellites naturels.Premièrement, nous avons étudié l' émission thermique de la Terre vue en tant que point-source distante, ainsi que la variabilité et la dépendance du signal de la géométrie d'observation. J'ai modélisé l'émission de la Terre à l'aide des données satellitaires et des données produites par des modèles de circulation général (GCMs) du Laboratoire de Météorologie Dynamique de Paris (LMD), en comparant les deux types de données afin de valider les simulations.Pendant la deuxième partie de mon travail, j'ai utilisé des donnés du GCM pour modéliser des planètes telluriques qui diffèrent de la Terre par seulement un ou deux paramètres tels que: la vitesse de rotation (y compris des planètes synchrones), une surface planétaire entièrement recouverte par la glace ou de l'eau, l'obliquité de l'axe de rotation ou l'excentricité de l'orbite. Pour toutes ces planètes virtuelles, j'ai étudié le climat, déduit les propriétés physiques de la planète, et produit et analysé les signaux intégrés associés à différentes géométries d'observation.La dernière partie de la thèse est un travail préliminaire qui consiste en ne plus considérer l'émission bolométrique mais le signal de bandes spectrales étroites, grâce à une nouvelle génération de GCM. Parce que chaque bande explore un niveau spécifique dans l'atmosphère, l'étude de la variation du spectre en comparant les variabilités photométriques entre les bandes, permet d'étudier la dynamique, la composition, la distribution et l'évolution de l'atmosphère de la planète, ce qui ouvre un champ encore inexploré pour la caractérisation des exoplanètes.The thermal emission received from a planet is a key to characterize the physical and chemical properties of its atmosphere. The spectral resolution, and therefore the spectral characterization that we can achieve for extrasolar planets is unfortunately very limited in particular for terrestrial planets. In this thesis, we study the possibility to characterize an Earth-like exoplanet by the analysis of the broadband infrared emission variability. The apparent thermal emission is indeed modulated by the seasons, the rotation of the planet, the motion and variability of atmospheric patterns and clouds, the orbital phase, and even the presence of a moon. As a reference case, we have studied the thermal emission of the Earth seen as a distant point-source, as well as the variability and the dependency of the signal on the observation geometry. We have modeled the emission of the Earth using data derived from observations and data produced by a General Circulation Models (GCMs), comparing both types of data in order to validate our simulations.As a second part of our work, we have used the GCM to model Earth-like planets that differ from the Earth by a few parameters such as different rotation rates (including tidally-locked planets), a planetary surface completely covered by ice or water, different obliquities and eccentricities. For all these virtual planets, we have studied the climate derived from the physical properties and the photometric infrared signal associated with them.The last part of the thesis is a preliminary work that no longer consider the bolometric emission but the signal from narrow spectral bands, thanks to a new generation of GCMs. Because each band probes a specific level in the atmosphere, studying how the low resolution spectrum of the planets varies by comparing the photometric variabilities between bands, we can study the dynamics, composition, distribution and evolution of the atmosphere of the planet, which it opens a yet unexplored field for the characterization of exoplanets

Titan: Plongée dans les mers d'un autre monde

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Thermal light curves of Earth-like planets: 1. Varying surface and rotation on planets in a terrestrial orbit

The integrated thermal emission of an exoplanet and its variations along the orbital motion can carry information about the climatic conditions and the rotation of the planet. In this study, we use the LMDZ 3D Global Climate Model (GCM) to simulate the climate of a synthetic Earth and three quasi-Earth configurations: a slowly rotating Earth, an ocean-covered Earth and its snowball counterpart. We also generate the time-dependent broadband thermal emission of the planet from these simulations. In a first step, we validate the model by comparing the synthetic Earth emission with the actual emission of our planet as constrained by observations. Then, we determine the main properties of the climate and emission of the three Earth-like planets and compare them to those of the Earth. We show that planets with an uneven distribution of continents exhibit a maximum of emission during the summer of the hemisphere with larger continental masses, and they may exhibit a maximum of emission at apastron. Large convective clouds might form over the continents of slow rotating planets, having an important effect over their climate and their emission. We also show that, in all the modeled cases, the equilibrium temperature, the Bond albedo and the rotation period can in theory be retrieved from the light curve by a distant observer. The values obtained at transiting geometries have a low deviation from the global values for cases with an axis tilt similar to that of the Earth, and we are able to distinguish between the four planets presented here by the data obtained from their light curves. However, this might not be the case under different conditions