Etude de réactions ion-molécule de l'ionosphère de Titan : réactions de N2+ et N+ avec différentes molécules d'hydrocarbures

Study of ion-molecule reactions of Titan ionosphère : reactions of N2+ and N+ reactions with different hydrocarbon molecules

• Auteur / Autrice : Christophe Nicolas
• Direction : Odile Dutuit
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie
• Date : Soutenance en 2002
• Etablissement(s) : Paris 11

Mots clés

Mots clés contrôlés

Interactions ion-molécule

Titan (satellite de Saturne)

Ionosphère

Rayonnement synchrotron

Photoionisation

Azote

Résumé

Ce travail porte sur l'étude des mécanismes élémentaires des réactions ion-molécule en phase gazeuse de N2+ et N+ avec le méthane, ainsi que de N2+ avec l'éthane et l'acétylène, réactions importantes de l'ionosphère de Titan. On a utilisé la technique de guide d'ions octopolaire radiofréquence dans deux montages expérimentaux. Les sections efficaces absolues de réaction ont été mesurées en fonction de l'énergie de collision (0,10 à 3,5 eV CM) et de l'énergie interne des ions parents. Celle-ci est sélectionnée par coi͏̈ncidences entre photoélectrons de seuil et photoions (TPEPICO), en formant les ions réactants par photoionisation avec le rayonnement synchrotron. Les rapports de branchement entre les différentes voies ont été mesurés, ainsi que les distributions de vitesses axiales des ions produits. Pour les réactions de N2+ avec les hydrocarbures, le transfert de charge quasi-résonnant est la vole réactionnelle dominante. Il est dissociatif avec le méthane et l'éthane, non-dissociatif avec l'acétylène. Une voie de transfert de H, minoritaire, a été mise en évidence. L'excitation vibrationnelle de l'ion N2+ a peu d'influence sur sa réaction avec le méthane. Par contre, la section efficace totale diminue quand l'énergie de collision augmente selon un modèle établi précédemment pour des réactions analogues. La photoionisation dissociative de N2, a été étudiée par la méthode TPEPICO en fonction de l'énergie de photon entre 24 et 32 eV. On discute les mécanismes possibles de prédissociation vers les différentes limites, en particulier pour former les ions N+ dans l'état métastable 'D. Avec cette méthode de coi͏̈ncidences, on a montré que les réactions avec le méthane deutéré des ions N+ dans l'état fondamental 3P ou dans l'état 'D n'ont pas le même rapport de branchement. En plus de la voie de transfert de charge, qui domine pour N+ 'D, des ions D2CN+ et DCN+ sont produits via un complexe à longue durée de vie et les ions CD3+ sont partiellement produits par transfert de D. ̄

Elementary mechanisms involved in gas phase ion-molecule reactions are studied for N2+ and N+ reactions with methane, as well as N2+ reactions with ethane and acetylene, which are important reactions in the Titan ionosphere. We used the guided ion beam technique with two experimental apparatuses. Absolute integral cross sections are measured as a function of collision energy (0. 10 to 3. 5 eV CM) and internal energy of the parent ions. Internal energy is selected by coincidences between threshold photoelectrons and photoions (TPEPICO), when parent ions are produced by photoionisation with synchrotron radiation. Branching ratios between all reactive channels are measured, as well as axial velocity distributions of product ions. Quasi-resonant charge transfer is the dominant channel for reactions between N2+ and hydrocarbons. It is dissociative for reactions with methane and ethane and non-dissociative with acetylene. A minor H transfer channel is observed. Vibrational excitation of N2+ ions has little impact on its reactivity with methane. On the other hand, the total cross section decreases when collision energy increases, according to previous models describing similar reactions. The dissociative photoionisation of N2 is studied with the TPEPICO method when photon energy is varied from 24 to 32 eV. Possible predissociative mechanisms towards the different dissociation limits are discussed, particularly concerning the formation of N+ ions in its 'D metastable state. With this coincidence method, we show that the branching ratio for the reaction with deuterated methane is different if N+ ions are in the 3P fundamental or the 'D excited state. Besides the charge transfer channel, which is the dominant one for N+ 'D, D2CN+ and DCN+ ions are produced via a long-lived complex and CD3+ ions partially come from a D ̄transfer process.