Étude expérimentale de l’atmosphère et des aérosols de Pluton

Experimental study of Pluto's atmosphere and aerosols

• Auteur / Autrice : Lora Jovanovic
• Direction : Nathalie Carrasco, Thomas Gautier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Structure et évolution de la terre et des autres planètes
• Date : Soutenance le 10/09/2021
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences mécaniques et énergétiques, matériaux et géosciences (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Atmosphères, observations spatiales (Guyancourt, Yvelines ; 2009-....)
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Université de Versailles-Saint-Quentin-en-Yvelines (1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Géosciences, climat, environnement et planètes (2020-….)
• Jury : Président / Présidente : Cyril Szopa
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Emmanuel Lellouch, Ella Marion Sciamma, Vassilissa Vinogradoff, Sandrine Vinatier, François Forget
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Emmanuel Lellouch, Ella Marion Sciamma

Mots clés

Mots clés contrôlés

Plasmas froids

Atmosphère

Pluton (planète)

Aérosols atmosphériques

Mots clés libres

Pluton

Atmosphère

Aérosols

Simulation Expérimentale

Pluto

Atmosphere

Aerosols

Experimental Simulation

Résumé

Le 14 Juillet 2015, la sonde New Horizons de la NASA a survolé Pluton, révélant une atmosphère et une surface complexes observées nulle part ailleurs dans le Système Solaire. La surface de Pluton est composée de glaces de diazote N2, de méthane CH4, et de monoxyde de carbone CO. Au cours de l’orbite elliptique de Pluton, ces glaces subissent un cycle de sublimation/condensation à l’origine d’une atmosphère ténue (~11 µbar à la surface). Cette atmosphère est majoritairement composée de N2 et CH4, avec ~500 ppm de CO. Soumise au rayonnement ultraviolet extrême et aux photons Lyman-α, elle est le siège de la production d’aérosols photochimiques, des particules solides en suspension dans l’atmosphère. Les processus exacts de formation de ces aérosols ne sont toutefois pas encore bien définis. Ces particules solides, dont la composition chimique et les propriétés optiques sont inconnues, sont observées jusqu’à plus de 350 km d’altitude dans l’atmosphère de Pluton. Des modèles numériques ont montré que la présence de ces aérosols dans l’atmosphère pouvait avoir un impact sur la chimie atmosphérique et le climat de Pluton. De plus, il a été suggéré que ces aérosols sédimentent et constituent une source de matière organique à la surface de Pluton.Dans le cadre de ma thèse, j’ai utilisé une approche expérimentale afin d’étudier les aérosols de Pluton, de leur formation dans la haute atmosphère à leur devenir en surface, en passant par leurs interactions avec l’atmosphère. La formation des aérosols de Pluton par photochimie et leur composition chimique sont les sujets de la première et de la deuxième partie de cette thèse de Doctorat (Chapitre III et Chapitre IV). L’interaction des aérosols de Pluton avec le rayonnement solaire et la contribution des aérosols photochimiques en tant qu’agent colorant à la surface de Pluton sont les sujets de la troisième et de la quatrième partie de cette thèse de Doctorat (Chapitre V et Chapitre VI).Le dispositif expérimental PAMPRE (Production d’Aérosols en Microgravité par Plasma REactif), situé au LATMOS, a été utilisé afin de simuler la chimie atmosphérique de Pluton et synthétiser des analogues d’aérosols photochimiques, communément appelés ''tholins''. Des expériences ont également été réalisées au GANIL, en utilisant le dispositif expérimental IGLIAS (Irradiation de GLaces d’Intérêt Astrophysique). En irradiant les tholins avec des ions lourds, l’objectif était de simuler le vieillissement de la matière organique à la surface de Pluton dû aux particules chargées constituant le rayonnement cosmique galactique.Grâce aux analyses physico-chimiques effectuées, tant pour caractériser la composition chimique de l’atmosphère simulée de Pluton que celle des analogues d’aérosols synthétisés, j’ai pu conclure à l’importance de la réactivité de N2 et CO dans la chimie atmosphérique de Pluton. L’azote constituant les molécules produites en phase gazeuse et incorporées ultimement dans les particules solides est inclus non seulement sous la forme de fonctions chimiques terminales (amine, nitrile, isonitrile), mais aussi sous la forme d’hétérocycles azotés (triazine, pyrazole, pyrazine, pyrrole). Quant à l’oxygène, seules des fonctions chimiques oxygénées terminales (alcool, acide carboxylique, carbonyle) ont été détectées. Ces molécules organiques azotées et/ou oxygénées sont responsables d’une forte absorption dans le domaine spectral ultraviolet par les analogues d’aérosols de Pluton et une absorption plus modérée dans le visible et l’infrarouge proche. Ces résultats sont cohérents avec les observations spectrales faites de la surface et de l’atmosphère de Pluton par les instruments à bord de la sonde New Horizons. Enfin, grâce aux expériences d’irradiation des analogues d’aérosols de Pluton par des ions lourds, j’ai pu conclure au vieillissement de la surface de Pluton par irradiation par le rayonnement cosmique galactique, expliquant probablement les spectres caractéristiques de la région Cthulhu.

On July 14th, 2015, NASA’s New Horizons spacecraft flew by Pluto, revealing a complex atmosphere and surface seen nowhere else in the Solar System. Pluto’s surface ices are composed of molecular nitrogen N2, methane CH4, and carbon monoxide CO. During Pluto’s elliptical orbit, these ices undergo a sublimation/condensation cycle resulting in a tenuous atmosphere (~11 µbar at the surface). This atmosphere is mostly composed of N2 and CH4, with ~500 ppm of CO. Subjected to extreme ultraviolet radiation and Lyman-α photons, it is the place of photochemical aerosol production, aerosols being solid particles in suspension in the atmosphere. The exact processes of formation of these aerosols are however not well constrained yet. These solid particles, whose chemical composition and optical properties are unknown, are observed up to more than 350 km of altitude in the atmosphere of Pluto. Numerical models have shown that the presence of these aerosols in the atmosphere could have an impact on the atmospheric chemistry and climate of Pluto. Moreover, it has been suggested that these aerosols sediment and constitute a source of organic matter on the surface of Pluto.During my Ph.D., I used an experimental approach to study the aerosols of Pluto, from their formation in the upper atmosphere to their evolution on the surface, through their interactions with the atmosphere. The formation of Pluto’s aerosols by photochemistry and their chemical composition are the subjects of the first and second part of this Ph.D. thesis (Chapter III and Chapter IV). The interaction of Pluto’s aerosols with solar radiation and the contribution of photochemical aerosols as a coloring agent on the surface of Pluto are the subjects of the third and fourth part of this Ph.D. thesis (Chapter V and Chapter VI).The experimental setup PAMPRE (Production of Aerosols in Microgravity by REactive Plasma), located at LATMOS, has been used to simulate the atmospheric chemistry of Pluto and to synthesize analogues of photochemical aerosols, usually called ''tholins''. Experiments have also been performed at GANIL, using the IGLIAS (Irradiation of astrophysical ices) experimental setup. By irradiating tholins with heavy ions, the objective was to simulate the ageing of organic matter on the surface of Pluto due to the charged particles constituting the galactic cosmic rays.Thanks to the physicochemical analyses carried out to characterize the chemical composition of Pluto-simulated atmosphere as well as that of the synthesized aerosol analogues, I was able to conclude to the importance of N2 and CO reactivity in the atmospheric chemistry of Pluto. The nitrogen constituting the molecules produced in the gas phase and ultimately incorporated in the solid particles is included not only in the form of terminal functional groups (amine, nitrile, isocyanide), but also in the form of nitrogen heterocycles (triazine, pyrazole, pyrazine, pyrrole). Regarding oxygen, only terminal oxygenated chemical functions (alcohol, carboxylic acid, carbonyl) were detected. These nitrogenous and/or oxygenated organic molecules are responsible for a strong absorption in the ultraviolet spectral range by Pluto aerosol analogues and a more moderate absorption in the visible and near-infrared. These results are consistent with spectral observations of Pluto’s surface and atmosphere by instruments onboard New Horizons. Finally, thanks to the experiments of irradiation of Pluto aerosol analogues by heavy ions, I was able to conclude that the surface of Pluto is processed by galactic cosmic ray irradiation, probably explaining the characteristic featureless spectra of the Cthulhu region.