Etude de la chimie de la haute et basse atmosphère de Titan: approche expérimentale

par David Dubois

Thèse de doctorat en Structure et évolution de la terre et des autres planètes

Sous la direction de Nathalie Carrasco.

Thèses en préparation à Paris Saclay , dans le cadre de Sciences mécaniques et énergétiques, matériaux, géosciences , en partenariat avec LATMOS - Laboratoire Atmosphères, Milieux, Observations Spatiales (laboratoire) et de université de Versailles-Saint-Quentin-en-Yvelines (établissement de préparation de la thèse) depuis le 01-10-2015 .


  • Résumé

    Titan est le satellite le plus large de Saturne. C'est un objet unique au sein du Système Solaire puisqu'il contient une atmosphère très dense, principalement faite de N2 et CH4 avec une pression 1.5x celle de la Terre en surface. Cette atmosphère riche en azote et la présence de liquide en surface rendent Titan l'un des corps les plus intéressants pour comprendre la chimie prébiotique de la Terre et la recherche de mondes habitables en-dehors du système solaire. La Mission Cassini-Huygens sonde Titan depuis 2004. Elle a révelée une photochimie intense dans l'atmosphère initiée par de la photo-dissociation et ionization de N2 et CH4. La photochimie sur Titan mène à la formation de composés organiques solides appelés aerosols responsable de la brume orangée permanent entourant le satellite. Ces aerosols sont produits en grande quantité et ont un intérêt fort pour l'astrobiologie parce qu'ils sont les composés organiques les plus complexes jamais détectés dans des corps extraterrestres. Dans la haute atmosphère, le spectromètre plasma à bord de Cassini a détecté des signatures compatibles avec la présence de molécules lourdes qui sont les précurseurs pour la formation du coeur solide des aerosols. Cette observation met en evidence le rôle clé de la chimie ionique pour la croissance organique. Il est maintenant admis que ces aerosols sont initiés dans la ionosphère, où gaz et aerosols solides coexistent dans un milieu neutre et ionique couplé. Cependant, les processus couplant justement la chimie ionique et la production d'aerosols restent majoritairement inconnus. Le projet consiste donc d'adresser le problème de la contribution chimique à la croissance organique dans la ionosphère de Titan, dans la phase gazeuse et aussi solide. Une approche expérimentale sera donc nécessaire, en utilisant un réacteur à plasma simulant la chimie hétérogène se produisant dans la ionosphère de Titan. Les espèces ioniques seront analysées in situ par spectrometrie de masse ionique. Les produits neutres seront en complément étudiés par spectroscopie d'absorption infrarouge, spectrometrie de masse et GC-MS. Par ailleurs, un travaille d'analyse de données de surface avec une approche géologique mais aussi chimique des produits formés dans l'ionosphère et déposés en surface, sera effectué au Jet Propulsion Laboratory.

  • Titre traduit

    Neutral, Ion and solid-state chemistry in Titan's atmosphere: An Experimental Approach


  • Résumé

    Titan is the largest satellite of Saturn. This object is unique in the solar system as it hosts a dense atmosphere mainly made of nitrogen N2 and methane CH4, with a pressure of 1.5 bar at the surface. The nitrogen rich atmosphere and the presence of liquid areas at the surface make it one of the most interesting objects to understand the evolution of the Earth before the emergence of life and to look for habitable worlds outside the solar system. The Cassini-­Huygens space mission has been probing Titan since 2004. It reveals an intense atmospheric photochemistry initiated by photo-­dissociation and ionization of N2 and CH4. Photochemistry on Titan leads to the formation of solid organic aerosols responsible for a smog surrounding permanently the satellite. These aerosols are produced in large amounts and have a significant interest for astrobiology because they are among the most complex organic material ever detected in extra-­terrestrial bodies. In the upper atmosphere, the plasma spectrometer onboard Cassini detected signatures compatible with the presence of heavy molecules which are precursors for the solid core of the aerosols. This observation evidences the key role of ion chemistry for organic growth. It is now admitted that aerosols are initiated in the ionosphere, where gas and solid aerosols coexist in a fully coupled ionic and neutral chemistry. However the processes coupling ion chemistry and aerosol production are mostly unknown. The PhD student will address the issue of the ion chemistry contribution to the organic growth in Titan's ionosphere, both in the gas phase and in the solid phase. The work will require an experimental simulation approach, using a plasma reactor simulating the heterogeneous chemistry occurring in Titan's ionosphere. Ion species will be investigated in-­situ by ion mass spectrometry. Neutral products will be complementary studied by infrared absorption spectroscopy, mass spectrometry and GC-­MS analysis. Besides, surface data analysis from a geology and chemical standpoint, using Cassini data, will be performed at the Jet Propulsion Laboratory to better understand the end of life of Titan's solid particles on its surface.