Photochemical uncertainties in modeling Titan's atmosphere : Review and consequences
Incertitudes photochimiques dans les modèles de l'atmosphère de Titan : Revue et conséquences
Résumé
Theoretical models of Titan's atmosphere require a detailed and accurate description of all important processes relevant to its photochemistry. Particularly sensitive to the imprecision attached to the different kinetic parameters they enclose, such modeling studies inevitably present an overall uncertainty, which is even supposed to be contributing mostly to the discrepancies between observations and computed predictions. As in any other scientific experiment, a rigorous evaluation of their overall uncertainty is therefore crucial if we are to place confidence in the modeled results. Yet, traditional sensitivity studies, which simply vary each parameter in turn and disregard any inherent nonlinearity, do not estimate it correctly.
The objective of this thesis is to develop photochemical models of Titan's neutral atmosphere (0D and 1D) and to assess for the first time the overall imprecision in computed results arising from uncertainties in the photochemical parameters used. Through a comprehensive cross-examination of extensive photochemical rates database, we review the different photochemical sources of uncertainties in Titan's atmosphere modeling. By adequately treating enclosed nonlinearities through a Monte-Carlo procedure, we are then able to assess their effect on the computed results. Our original calculations establish that this effect could be so significant as to challenge any comparisons with observations and any potential conclusions subsequently inferred, and advocate for substantial efforts in promoting experimental studies which would greatly assist in developing planetary atmospheric models that more accurately -and usefully- reproduce observations.
The objective of this thesis is to develop photochemical models of Titan's neutral atmosphere (0D and 1D) and to assess for the first time the overall imprecision in computed results arising from uncertainties in the photochemical parameters used. Through a comprehensive cross-examination of extensive photochemical rates database, we review the different photochemical sources of uncertainties in Titan's atmosphere modeling. By adequately treating enclosed nonlinearities through a Monte-Carlo procedure, we are then able to assess their effect on the computed results. Our original calculations establish that this effect could be so significant as to challenge any comparisons with observations and any potential conclusions subsequently inferred, and advocate for substantial efforts in promoting experimental studies which would greatly assist in developing planetary atmospheric models that more accurately -and usefully- reproduce observations.
La modélisation photochimique reste un outil essentiel pour la compréhension des mécanismes se déroulant dans l'atmosphère de Titan. Comme dans toute autre démarche scientifique, pour assurer la pertinence des représentations théoriques, il est ainsi très important d'évaluer la précision sur la formulation des processus physico-chimiques évoqués et d'étudier leur sensibilité aux incertitudes expérimentales, souvent peu négligeables, attachées aux paramètres photochimiques implémentés. Bien que fréquemment abordées dans la littérature, les études de sensibilités classiques, faisant varier chacun de ces paramètres indépendamment les uns des autres, sont peu pertinentes dans le mesure où elles ne reposent jamais sur des représentations correctes des non-linéarités inhérentes à de tels modèles.
L'objectif de ce travail de thèse est ainsi de développer des modèles aux dimensions réduites (0D et 1D) de l'atmosphère neutre de Titan en estimant pour la première fois l'impact global sur les résultats théoriques des incertitudes des différents processus photochimiques dictant son évolution. Nous nous appuyons d'abord sur une revue exhaustive des incertitudes existantes sur les paramètres photochimiques inclus dans un tel modèle de l'atmosphère de Titan, puis sur un traitement adéquat des non-linéarités à travers l'application d'une méthode de Monte-Carlo. Nous en déduisons une représentation théorique originale de la précision attachée aux modèles théoriques de cette atmosphère permettant d'une part des analyses pertinentes de propagation des incertitudes sur différents paramètres expérimentaux, et d'autre part des interprétations théoriques et observationnelles plus réalistes.
L'objectif de ce travail de thèse est ainsi de développer des modèles aux dimensions réduites (0D et 1D) de l'atmosphère neutre de Titan en estimant pour la première fois l'impact global sur les résultats théoriques des incertitudes des différents processus photochimiques dictant son évolution. Nous nous appuyons d'abord sur une revue exhaustive des incertitudes existantes sur les paramètres photochimiques inclus dans un tel modèle de l'atmosphère de Titan, puis sur un traitement adéquat des non-linéarités à travers l'application d'une méthode de Monte-Carlo. Nous en déduisons une représentation théorique originale de la précision attachée aux modèles théoriques de cette atmosphère permettant d'une part des analyses pertinentes de propagation des incertitudes sur différents paramètres expérimentaux, et d'autre part des interprétations théoriques et observationnelles plus réalistes.