Laser-driven shock compression of liquid mixtures and silica
 up to extreme thermodynamic conditions of interest for planetary interior models

par Marco Guarguaglini

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Alessandra Benuzzi-Mounaix et de Alessandra Ravasio.

Soutenue le 15-11-2019

à Paris Saclay , dans le cadre de École doctorale Ondes et Matière (Orsay, Essonne ; 2015-....) , en partenariat avec École polytechnique (Palaiseau, Essonne) (établissement opérateur d'inscription) et de Laboratoire pour l'Utilisation des Lasers Intenses (Palaiseau) (laboratoire) .


  • Résumé

    L’étude du comportement des composantes des intérieurs planétaires dans des conditions extrêmes de pression (megabar) et température (milliers de Kelvin) est essentielle afin de construire des modèles fiables décrivant l’évolution et la structure des planètes. Dans ce travail, nous avons étudié plusieurs composantes par compression par choc laser sur les installations LULI2000 (France) et GEKKO XII (Japon).Nous avons employé des chocs décroissants pour étudier des conditions de haute-pression / haute-température. Afin d’accéder à des conditions de température modérée, nous avons utilisé des techniques de pre-compression statique (couplage compression par choc — cellules à enclumes de diamant) et dynamique (génération de doubles chocs).Nous avons étudié l’équation d’état des mélanges eau-ethanol-ammoniac et de l’eau et ammoniac purs, d’intérêt pour la description des intérieurs des planètes géantes de glace. L’étude de l’ammoniac a été particulièrement délicate en raison de sa forte réactivité et donc de la complexité du design des cibles ; nous présentons les premières données obtenues par choc laser, dans un domaine de pression jamais exploré. Les données des mélanges confirment des calculs ab initio récents basés sur une approximation de mélange linéaire.Nous avons également mesuré la réflectivité des mélanges liquides et de la silice, une composante-clé des intérieurs des planètes terrestres. Nous avons ensuite estimé la conductivité électrique — un paramètre crucial pour modéliser la génération des champs magnétiques planétaires dans les intérieurs via un mécanisme dynamo — de ces composantes.Eau, ammoniac et mélanges eau-ethanol-ammoniac affichent des réflectivités différentes, ce qui suggère que l’eau pure ne peut pas être considérée comme représentative des mélanges planétaires dans les modèles dynamo.Par ailleurs, nous avons apporté une confirmation expérimentale de calculs ab initio récents selon lesquels la conductivité de la silice n’est pas monotone le long d’une ligne isotherme pour des températures modérées.Nos données supportent des calculs qui prédisent qu’une dynamo peut avoir lieu dans les océans de magma dans des super-Terres ainsi que dans la jeune Terre.

  • Titre traduit

    Compression de mélanges liquides et silice 
par chocs générés par laser jusqu’à des conditions thermodynamiques extrêmes 
d’intérêt pour les modèles des intérieurs planétaires


  • Résumé

    Characterising the behaviour of planetary interiors’ components at extreme conditions (megabar pressures, temperatures of a few thousand Kelvin) is essential to build reliable models describing the evolution and structure of planets. In this thesis, we investigated various components on a wide set of conditions using laser-driven shock compression techniques at the LULI2000 (France) and GEKKO XII (Japan) facilities.Single decaying shocks were employed to study high-pressure / high-temperature states. To reach moderate-temperature conditions, closer to planetary interior profiles, we employed static and dynamic pre-compression techniques coupling Diamond Anvil Cells to shock compression and generating double shocks, respectively.We studied the equation of state of water-ethanol-ammonia mixtures and of pure liquid water and ammonia, of interest for icy giant structure models. Pure ammonia measurements have been particularly challenging due to cell design complexity in reason of its reactivity; we provide the first data obtained with laser shocks, in a pressure domain up to now unexplored. Mixtures data are in agreement with recent ab initio calculations based on the linear mixing approximation.We measured the optical reflectivity of liquid mixtures and silica, a key component of rocky planets’ interiors. From reflectivity data we estimated the electrical conductivity of such components — a crucial parameter for modelling the generation of planetary magnetic fields in the interiors via a dynamo mechanism.Water, ammonia, and water-ethanol-ammonia mixtures exhibit different reflectivity (hence conductivity) behaviours as a function of pressure and temperature. This suggests that pure water should not be used in dynamo models as representative of the icy mixtures.Moreover, we provide the first experimental confirmation of recent ab initio studies showing that the conductivity of silica along isothermal lines is not monotonic at moderate temperatures. Our data provide experimental support for the calculations predicting a dynamo action to occur in super-Earths’ and early Earth’s magma oceans.


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