Composition des océans des lunes de Jupiter et Saturne : approches thermodynamique et expérimentale

Composition of the oceans of Jupiter and Saturn’s icy moons : thermodynamic and experimental approaches

• Auteur / Autrice : Olivier Bollengier
• Direction : Olivier Grasset, Gabriel J. R. Tobie, Yann Morizet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de la Terre et de l'Univers, Planétologie
• Date : Soutenance en 2013
• Etablissement(s) : Nantes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur, Géosciences, Architecture (Nantes)
• Partenaire(s) de recherche : autre partenaire : Université de Nantes. Faculté des sciences et des techniques

Mots clés

Mots clés contrôlés

Diagrammes de phases

Clathrates

Mots clés libres

Expérience de haute pression

Modèle thermodynamique

Hydrates clathrates

Equilibre en système aqueux

Structure interne des lunes de glace

Système H2O-CO2

Système H2O-MgSO4

Résumé

L’existence d’océans aqueux sous les surfaces des grands satellites de glace de Jupiter et Saturne, théorisée durant les années 1970, est aujourd’hui confirmée par les données des missions Voyager, Galileo et Cassini-Huygens. La composition des matériaux chondritiques et cométaires et les données des missions spatiales érigent aujourd’hui le sulfate de magnésium et le dioxyde de carbone parmi les principaux contaminants pouvant être attendus dans ces océans extra-terrestres. Pour éclaircir les implications de la présence de ces constituants, des expériences ont été menées afin de compléter l'exploration encore partielle des systèmes H2O–CO2 et H2O–MgSO4 aux conditions de haute pression (0 – 2 GPa), de basse température (250 – 350 K) et de composition (systèmes riches en eau) attendues dans les hydrosphères de Ganymède, Callisto et Titan. Les données acquises ont permis d'établir la première description globale du système H2O–CO2 à ces conditions. Les domaines de stabilité des deux hydrates de CO2 et la solubilité du CO2 dans l’eau éclairent les mécanismes de stockage et de transfert de ce volatil dans les grands satellites de glace. Ces données ont également ouvert la voie à la modélisation thermodynamique du clathrate sI de CO2–CH4, acteur potentiel de la ségrégation du carbone volatil dans les hydrosphères des lunes. Les premières données acquises pour contraindre l'eutectique du système H2O–MgSO4 permettent d’aborder la question de l’évolution d’océans denses au sein des hydrosphères. Ces données précisent l'hypothèse récente de l'existence de domaines océaniques profonds à la base des manteaux glacés des grands satellites, offrant une nouvelle vue de leur dynamique.

The existence of subsurface aqueous oceans in Jupiter and Saturn’s large icy moons, theorized in the 1970s, has been confirmed by data collected by the Voyager, Galileo and Cassini-Huygens missions. The composition of chondritic and cometary materials and the data from these missions suggest that magnesium sulfate and carbon dioxide may be major components of these extra-terrestrial oceans. In order to understand the implications of the presence of these two constituents, new experiments were carried out in the H2O–CO2 and H2O–MgSO4 systems at the high pressures (0 – 2 GPa), low temperatures (250 – 350 K) and compositions (water-rich systems) expected in the hydrospheres of Ganymede, Callisto and Titan. The results from these experiments led to the first global description of the H2O–CO2 system at these conditions. The domain of stability of the two CO2 hydrates and the solubility of CO2 in water at high pressure bring new constraints on the trapping and transfer of this volatile in large icy moons. These data now make possible the high-pressure thermodynamic modeling of the CO2–CH4 sI clathrate hydrate, a phase likely involved in the segregation of these main volatile carbon molecules throughout the hydrospheres of icy moons. The first set of data acquired to constrain the eutectic composition of the H2O–MgSO4 system at high pressures complete available density data and provide the means to understand the evolution of dense oceans within massive hydrospheres. These data support the recent hypothesis of deep oceans at the bottom of the icy mantles of large icy satellites, giving a new perspective on the evolution and dynamics of these bodies. A priori conditions, the transition zone appears to be isotropic, along the investigated path