Laboratoire "Atmosphères, Milieux, Observations Spatiales"

Le projet AICAtS vise à faire progresser l’intégration de l’intelligence artificielle dans les sciences de l’atmosphère en abordant des défis majeurs d’apprentissage automatique qui limitent la modélisation fiable des phénomènes géophysiques complexes et en validant ces avancées sur des cas d’usage concrets. Ces cas d’usage incluent la prévision météorologique, l’estimation des précipitations et la prévision de la température de bulbe humide. Ils couvrent une variété de situations représentatives nécessitant le développement de nouveaux cadres et méthodologies en IA. Sur le plan méthodologique en IA, le projet se concentrera sur trois défis clés, essentiels au développement de solutions d’apprentissage automatique pour ces cas d’usage et, plus largement, pour la modélisation atmosphérique : modélisation de la stochasticité des processus physiques via des modèles probabilistes génératifs ; généralisation et extrapolation à diverses situations physiques en contexte d’apprentissage avec peu de données ; quantification des incertitudes pour les modèles physiques basés sur les données. Le consortium rassemble des partenaires aux expertises hautement complémentaires : INRIA-ARCHES (ML et climat), ISIR (apprentissage profond pour la physique) et LATMOS (sciences de l’atmosphère). Ces trois équipes ont une solide expérience en recherche multidisciplinaire à l’interface entre climat, environnement et apprentissage automatique. Un des atouts majeurs de cette collaboration réside dans la synergie entre l’IA et les sciences atmosphériques, permettant le développement de modèles d’apprentissage automatique plus avancés et fondés sur des principes physiques. Le projet a un fort impact environnemental. Son importance s’étend à des secteurs critiques tels que l’agriculture, l’énergie et la gestion des catastrophes, où des prévisions améliorées des précipitations et de la température de bulbe humide peuvent optimiser la prise de décision et les stratégies d’atténuation des risques. Le projet fera appel aux très grandes infrastructures de recherche notament sur le calculateur Jean Zay.

Connaître la pollution atmosphérique actuelle et ancienne est nécessaire pour comprendre les interactions humains / environnement et évaluer leurs impacts sur la santé, les écosystèmes et le patrimoine culturel. Cependant, les mesures directes de la qualité de l’air sont récentes et sporadiques. Pour remonter dans le passé, des proxies de la pollution doivent donc être trouvés. C’est pourquoi, dans le projet ANARCHIST, nous proposons d’étudier les croûtes noires formées sur les monuments – caractéristiques du milieu urbain local – comme archives de la pollution récente et ancienne. En effet, abritées des pluies, les croûtes noires sont formées de strates de gypse qui piègent le contenu particulaire de l’atmosphère. Ainsi, la matrice minérale et son contenu peuvent potentiellement témoigner de la pollution au cours du temps. Pour révéler ce potentiel des croûtes noires, nous disposerons d’un set d’échantillons uniques exposés à l’atmosphère parisienne du XIIIème siècle jusqu’à aujourd’hui (statues des têtes des rois de Juda, tombes de cimetières). Afin de les analyser, le projet mettra au point des protocoles innovants de caractérisation in-situ de différents traceurs : métaux et 14C pour tracer les sources ; isotopes du plomb pour dater les échantillons ; isotopes du S, O et N pour tracer le caractère oxydant de l’atmosphère. Les résultats seront ensuite confrontés à une étude historique (menée en parallèle à partir de différentes archives). Une fois la méthodologie validée, nous disposerons alors d’une archive unique pour remonter aux sources de pollution et à leur évolution au cours du temps et pour mieux comprendre les processus chimiques atmosphériques. Celle-ci pourra être employé pour obtenir des données sur la pollution ancienne dans de nombreux sites afin d’évaluer la validité des modèles de chimie-transport dans le passé, mieux connaître notre histoire industrielle ou encore évaluer l’exposition à la pollution à fine échelle spatiale.

Le projet "Jupiter Polar Atmosphere & Fate of AeRosols" (JAFAR) vise à étudier la chimie et la formation d'aérosols dans l'atmosphère polaire de Jupiter, une région dominée par les précipitations électroniques aurorales. Il explore l’impact des réactions ion-neutre, peu prises en compte dans les modèles actuels, sur la distribution spatiale des hydrocarbures, du cyanure d'hydrogène (HCN), du monosulfure de carbone (CS) et des aérosols. Les missions Cassini et Juno ont révélé des anomalies chimiques que les modèles existants ne peuvent expliquer, soulignant le role central joué par la chimie ion-neutre. Le projet est organisé sous forme de trois work package (WP) : (i) modélisation photochimique des régions polaires de Jupiter pour simuler la chimie aurorale, (ii) analyse des données d'observation pour identifier et contraindre les espèces chimiques aurorales, et (iii) expérimentations en laboratoire sur la réactivité du HCN avec des analogues d'aérosols. Dans le WP1, un réseau chimique développé pour Titan sera adapté à Jupiter, intégré à un modèle de transport électronique, puis élargi à une modélisation 2D (altitude-latitude) pour simuler les processus chimiques auroraux. Le WP2 exploitera les données des observations d'ALMA, du JWST et d'autres instruments pour identifier des composés clés et ainsi affiner les modèles. Le WP3 consistera en des expériences de laboratoire simulant les conditions aurorales de Jupiter, afin de caractériser comment les aérosols interagissent avec les espèces gazeuses, notamment le HCN. Le projet JAFAR s’inscrit dans le cadre de l'exploration du système jovien par la mission JUICE en 2031. Il permettra de maximiser les retours scientifiques de cette mission et d’améliorer notre compréhension des processus atmosphériques de Jupiter et, dans un contexte plus large, des exoplanètes géantes gazeuses.

Cloud, aerosols and their interactions are key regulators of climate. However, uncertainties in the magnitude of the net cooling impact of aerosols on climate and in the cloud response to evolving anthropogenic emissions and climate change induced feedbacks on natural emissions are major challenges that limit our understanding of how global and regional climate, including extremes, respond to changes in greenhouse gases. It is of paramount importance to better understand aerosol-cloud processes and their role in the Earth System, from regional to global scales, and over different time scales, from days to decades. Over the last decade, extensive research networks, infrastructures, satellite instruments, and atmospheric models have been developed, making it possible to obtain a holistic view of the effects of clouds and aerosols on climate and weather. CERTAINTY will capitalise on this available data together with advanced algorithms, machine learning and data assimilation methods, high resolution models, and Earth system models to bring the fundamental knowledge of interactions between clouds, aerosols, and radiation to a new level. The consortium partners are in key roles as operators, data originators, developers, providers, and users of European aerosol and cloud data and ESMs/high resolution models. The consortium leads the activities of next generation satellite missions (such as EarthCARE), and the development of new satellite products, to facilitate their scientific use in CERTAINTY by preparing tools for early adoption of data. CERTAINTY will bring the observation-based knowledge to be used in modeling frameworks to improve predictive models and knowledge of processes controlling aerosols, clouds, and their interactions from hours to decades. The ultimate outcome will be better understanding and predictions of extreme events that facilitates planning of climate mitigation/adaptation strategies for the good of European citizens and global society.

L’amélioration de notre connaissance du cycle de l’eau dans l’atmosphère nécessite de disposer de mesures résolues dans le temps et selon la verticale de l'abondance des deux principaux isotopes stables de la vapeur d’eau dans la basse et moyenne troposphère. C’est à l’aide d’une instrumentation LIDAR à absorption différentielle de haute sensibilité que nous proposons de relever ce défi qui permettra de combler le manque indéniable d’observable, afin d’augmenter la précision des modèles de climat. Ainsi, le projet SWALIDE a pour but de combiner les technologies de détection infrarouge de pointe basées sur des photodiodes à avalanche HgCdTe avec le premier système lidar à absorption différentielle WAVIL dédié à la mesure de l'abondance isotopique de la vapeur d'eau. Le premier objectif est d'amener le lidar à un niveau de sensibilité inédit pour les applications de sciences de l’atmosphère, et des futurs réseaux d’observation. Pour cela, une photodiode à avalanche spécifique dotée d'une architecture monolithique originale sera développée afin de fournir une rupture en termes de sensibilité et d'opérabilité. Pour soutenir cet objectif, l'ensemble de l'instrumentation sera testé et validé par des inter-comparaisons avec d’autres capteurs tels que des spectromètres industriels conçus pour les mesures in situ. Le second objectif s’inscrit dans la perspective des futures missions lidar spatiales, qui étendront les observations de la vapeur d'eau et de l'abondance isotopique à l’échelle globale afin de disposer d’une climatologie inédite des zones de convergence et de divergence d’humidité dans l’atmosphère. Pour cela, la photodiode à avalanche, son électronique d'amplification et de formatage seront conçues et réalisées en collaboration avec Airbus DS. Ceci permettra de préparer le transfert de la recherche à l’industrie en vue des futures missions lidar qui pourront être proposées par la France à l’agence spatiale européenne en s’appuyant sur le CNES.

Le projet DICHOTOMI porte sur l’étude de la formation des vents forts et destructeurs en surface au sein des tempêtes hivernales, en particulier aux abords de l’intrusion d’air sec et de la tête nuageuse. Le transport de quantité de mouvement effectué par les perturbations turbulentes et les rouleaux convectifs sera plus particulièrement analysé. Différents facteurs peuvent influencer ce transport, à savoir la stabilité statique, le cisaillement vertical de vent, les flux de chaleur à la surface, le refroidissement par évaporation des précipitations ou encore la rugosité associée à la surface, notamment à l’état de la mer. Bien que ces facteurs soient connus, leurs rôles relatifs et la façon dont ils se combinent restent à être clarifiés. Le projet s’inscrit dans un effort plus général de la communauté internationale qui s’articule autour du projet de campagne de mesure appelée NAWDIC “North Atlantic Waveguide, Dry Intrusion, and Downstream Impact Campaign” planifiée pendant l’hiver 2025-2026. Cette campagne vise à mieux comprendre les processus dynamiques et physiques qui forment les événements météorologiques extrêmes comme les rafales de vent destructrices, les précipitations intenses et les vagues de froid en hiver en Europe et à mieux les représenter dans les modèles de circulation atmosphérique. Pour atteindre cet objectif, la communauté NAWDIC se propose de déployer des avions et des moyens de mesure au sol sur l’ensemble de l’Atlantique Nord. Le présent projet s’inscrit dans ce cadre et se propose de déployer deux avions et deux systèmes de mesure au sol en particulier. L’avion français ATR42 opéré par Safire (Service des Avions Français Instrumentés pour la Recherche en Environnement) et l’avion allemand Cessna F406 opéré par TUBS (Technische Universität Braunschweig), équipés d’instruments de télédétection et in situ de pointe, seront déployés à partir de l’Irlande, qui se trouve à l’extrémité est du rail des tempêtes atlantiques, et de la Bretagne. Les deux plateformes au sol, l’une provenant des partenaires français et l’autre du partenaire allemand, composées d’un réseau de lidars Doppler mesurant le vent, de lidars mesurant l’humidité et de radars Doppler nuages mesurant vents et propriétés nuageuses seront déployés sur les côtes françaises et irlandaises. La synergie entre ces différentes plateformes permettra d’acquérir un jeu de données unique avec des mesures complémentaires de vent à fine échelle, de propriétés nuageuses et de propriétés de surface également. Une hiérarchie de modèles à aire limitée seront utilisés pour simuler des cas observés. Différentes configurations incluant des modèles avec convection paramétrée (CPM, résolution d’une dizaine de kilomètres), avec convection explicite (SRM, résolution d’un kilomètre) et résolvant les grands tourbillons (LES, résolution d’une centaine de mètres) seront mises en place. Dans le cas des plus basses résolutions (CPM, SRM), les schémas de paramétrisations des nuages, de la convection peu profonde et de la turbulence seront évalués à l’aide des observations. Même si les simulations LES représentent explicitement les rouleaux convectifs et les thermiques, leur structure et leur échelle spatiale ne sont pas forcément réalistes et elles seront comparées aux mesures de vent à fine échelle obtenues par les différents instruments. Au-delà d’améliorer notre compréhension des processus de formation des vents forts au sein des tempêtes, les résultats du projet serviront à améliorer la représentation des nuages, des rouleaux convectifs et des échanges air-mer dans les modèles développés au sein des communautés française et allemande.

Recent research has shown that the spatial organisation of convection (and hence clouds) at the mesoscale (20-200km) dramatically affects the Earth’s energy balance and hydrological cycle. This raises the question as to how the organisation of convection will change with warming, and how it will influence the climate. A poor understanding of the physical drivers of the mesoscale organisation of convection, compounded by an inability to simulate and observe such processes, has hampered our ability to articulate this challenging question, let alone answer it. In MAESTRO I propose to develop observational approaches and analysis frameworks specifically designed to test mechanisms hypothesized to control the mesoscale organisation of both shallow and deep convective clouds. Advances in airborne remote sensing will be exploited to map the spatial structures of clouds and water vapor, to interpret their coupling through the analysis of coherent structures within the clear-air environment around clouds, and to understand their dependence on environmental conditions. This will help understand why and how convective clouds organise at the mesoscale, why the organisation co-varies with water vapor, clouds and radiation locally and remotely, and why it co-varies with climate conditions. By connecting observations from the airborne measurements to satellite observations and meteorological analyses, the generality of the insights from the field measurements will be tested and tempered. Finally, observational insights will be used to assess the new and emerging generation of climate models whose resolution is fine enough to represent the mesoscale organisation of convection and its interaction with climate. MAESTRO will lead to new experimental techniques for studying atmospheric processes, to an improved conceptualization of the interplay between convective organisation and climate, and to a critical assessment of the new generation of climate models for climate change studies.

Venus is the closest planet to Earth. Despite a similar size and mass, there are differences between the two planets. At the surface, the temperature can reach 730 K with a pressure of 90 bar, and a composition of 96 % of carbon dioxide. Venus hosts a global cloud layer between 45 and 70 km of altitude, with composition and temperature-pressure conditions close to the Earth's stratosphere and complex chemistry with both sulphur and water cycle. This global cloud layer plays a key role in the radiative equilibrium of the atmosphere. Therefore, it is fundamental to study its composition and dynamics at all spatio-temporal scales to understand the atmosphere of Venus. Despite decades of measurements and modelling, there are still many unknowns about the chemistry of the Venusian atmosphere. The Project MuSICA-V (Multi-Scale Investigation of the Chemistry of the Atmosphere of Venus) conducted at LATMOS will develop new and ambitious numerical models using a hierarchy of models: a Planetary Climate Model (PCM), mesoscale and Large-Eddy Simulation (LES) models all coupled to a photochemistry scheme. These three models are performed with different resolutions and would help capture the spatio-temporal variability of the chemistry over different scales as never before, and will increase the understanding of the coupling of the dynamics and chemistry from the large-scale to the small-scales. The proposed effort is perfectly timed and relevant to ongoing and planned international Venus exploration activities: ESA mission EnVision, and NASA missions DAVINCI and VERITAS, were all three selected to launch in the next decade. The main objectives of these missions are to study the surface and the dynamics both inside and below the clouds. The project will simulate predictions for chemistry variabilities to produce observables for past and future missions, to improve the interpretation of the measurements.

Le projet BACCOPA vise à étudier l'impact des aérosols de feux de biomasse émis en Afrique tropicale sur le cycle hydrologique de cette région et notamment leurs contributions à l’allongement de la saison sèche mise en évidence récemment. Plus précisément, il vise à quantifier l'impact de ces panaches sur le bilan radiatif, les propriétés nuageuses, la convection profonde et les précipitations sur cette région, de l'échelle de l’évènement à l'échelle saisonnière. Pour répondre à ces questions, le projet BACCOPA a pour objectif de mettre en place une campagne expérimentale d'envergure afin de caractériser les propriétés des aérosols et des nuages convectifs en Afrique tropicale. Celle-ci se fera en utilisant pour la première fois des observations ("in-situ" et télédétection) aéroportées (ATR de l'unité SAFIRE) et à la surface (plate-forme PEGASUS) sur cette région. De manière complémentaire, ce projet a pour but d'utiliser des nouvelles observations spatiales originales pour caractériser ces mêmes propriétés à l'échelle régionale en Afrique tropicale. Ce jeu de données unique servira à étudier l'impact des aérosols de feux de biomasse sur les propriétés nuageuses mais également de contraintes observationnelles pour les simulations numériques réalisées à très hautes résolutions (échelle kilométrique) à l'aide du modèle AROME dans sa version climatique. Cet outil de modélisation novateur permettra de simuler les différentes interactions et d'étudier notamment la contribution de l'effet des aérosols en tant que noyaux de condensation de celui provenant des interactions avec le rayonnement. Bien que centré sur l'Afrique tropicale, le projet BACCOPA vise à contribuer de manière significative à l'amélioration de notre compréhension des interactions entre les aérosols, les nuages, le rayonnement et le climat, qui représente l'une des incertitudes les plus importantes pour quantifier l'impact des émissions anthropiques sur le climat actuel et futur.

La recherche de molécules organiques comme traceurs de chimie prébiotique et indicateurs d’habitabilité potentielle est l’un des objectifs majeurs des missions spatiales actuelles et futures pour Mars et les lunes glacées des géantes gazeuses (Europe, Encelade, Titan, etc.). Afin de guider ces missions, le projet LIBIOPANE a pour objectif d’évaluer les environnements et minéralogies les plus favorables à la préservation et à la détection des molécules organiques, en particulier des (bio)marqueurs lipidiques. Les lipides sont des composés biologiques essentiels qui peuvent être préservées sur Terre dans des roches âgées de plusieurs milliards d’années. Ce sont des outils puissants car ils recèlent nombre d’information permettant de reconstruire le paléoenvironnement du milieu dans lequel ils ont été formés. Ce sont donc des biosignatures idéales pour rechercher la vie ailleurs, si elle s’y est développée, sur Mars et les lunes glacées de Jupiter et Saturne pour lesquelles des missions sont en cours de développement (ex : Dragonfly). Les lipides formés de façon abiotique peuvent quant à eux apporter des indices précieux sur les minéraux et conditions favorables à la complexification des molécules organiques, voire au développement d’une vie primitive. LIBIOPANE se décompose en 4 tâches : 1/ Collecte, synthèse et caractérisation d’échantillons analogues aux objets ciblés ; 2/ Investigation de leur potentiel de préservation en biomarqueurs lipidiques ; 3/ Évaluation de la capacité des instruments de vol (ex. pyrolyse-GCMS) à détecter ces lipides ; 4/ Optimisation des protocoles analytiques de vol. LIBIOPANE propose une approche novatrice combinant données de laboratoire et données de vol simulées, primordiale pour discriminer les sources (exogènes ou endogènes) et origine(s) (pré-biotique, biotique ou abiotique) des molécules organiques détectées dans le système solaire, contribuant ainsi à une meilleure compréhension des conditions d’apparition du vivant sur Terre.

Among the thousands of extrasolar planets discovered, Earth-like objects focus our attention to seek new habitable worlds. Eleven Earth-sized planets have already been discovered in the Habitable Zone (HZ) of their host-star, including three in the TRAPPIST-1 planetary system. Deciphering their atmospheres is the challenge of the next decade in exoplanetary science, stressing out urgent needs in fundamental data for these objects. My aim is to investigate how the atmospheric organic reservoir forms and evolves in the frame of humid exoplanetary atmospheres in Habitable Zone. I will also quantify the impact of theses processes on the climate and on the potential for prebiotic chemistry on these planets. I propose to consider the role of organic aerosols as prebio-signature: those are nanoparticles chemically produced in the atmosphere. I will address the capacity of exo-Earths atmospheres to produce organic aerosols in various oxidative conditions, and their further physical and chemical interactions with atmospheric water. To tackle these questions, I will combine experiments and models to discover the reactivity that occurs in atmospheres within an extensive range of oxidation conditions. I will experimentally determine the physical properties of the aerosols, and then model their radiative impact and their propensity to generate clouds in the atmosphere. I will also experimentally identify the prebiotic molecules composing the aerosols that dissolve into clouds. This transfer from the dry organic reservoir towards liquid water is indeed critical for the emergence of life. The ERC-AdG Oxyplanets project will contribute to interpret and suggest observations for the future NASA-JWST and ESA-ARIEL space missions. Furthermore, it will reinforce our knowledge of the habitability of Earth-like exo-worlds, potentially reappraising the conditions for life to appear on the early-Earth.

Aviation contributes to about 5% of the total anthropogenic climate change when including non-CO2 effects, e.g., contrail formation and the impact of NOx emissions on ozone and methane. Among various non-CO2 effects, the contrail-cirrus radiative forcing is the largest (~2/3) with large uncertainties. The most critical affecting factor is the huge weather-induced variability of the radiative impact of individual contrails. This is the quantity, BeCoM will predict better since the knowledge of the individual radiative forcing is the basis for avoidance of just those contrails that contribute most to the overall climate impact. Once this is standard, it will be possible to formulate adequate mitigation measures and develop policy-driven implementation schemes. BeCoM will address the uncertainties related to the forecasting of persistent contrails and their weather-dependent individual radiative effects. BeCoM focuses on: 1) obtaining a larger and higher resolution database of relative humidity and ice supersaturation at cruise levels for assimilation into numerical weather prediction (NWP) models; 2) providing more adequate representation of ice clouds in their supersaturated environment in the NWP models; and 3) validation of the predictions to determine and reduce the remaining uncertainties of contrail forecasts. To facilitate the assimilation and validation process, BeCoM will develop a novel hybrid artificial intelligence algorithm. Based on the contrail prediction, BeCoM will develop a policy framework for effective contrail avoidance through a trajectory optimization approach. BeCoM will enable a better understanding of contrail’s climate impact and formulate recommendations on how to implement strategies to enable air traffic management to reduce aviation's climate impact. The BeCoM consortium builds on its knowledge and expertise covering a wide spectrum from atmospheric science and climate research to aviation operations research and policy development.