Étude expérimentale et thermodynamique des hydrates sous pression

• Auteur / Autrice : Mathieu Choukroun
• Direction : Christophe Sotin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de la Terre et de l'univers. Planétologie
• Date : Soutenance en 2007
• Etablissement(s) : Nantes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale mécanique, thermique et génie civil (Nantes)
• Partenaire(s) de recherche : autre partenaire : Université de Nantes. Faculté des sciences et des techniques

Mots clés

Mots clés contrôlés

Ammoniac

Clathrates

Hydrates

Méthane atmosphérique

Titan (satellite de Saturne) -- Atmosphère

Résumé

D’intenses processus photochimiques empêchent la persistance du méthane atmosphérique de Titan sur des durées qui dépassent 100 millions d’années. La dissociation d’un réservoir interne de clathrates de méthane est un mécanisme de renouvellement probable. La présence d’ammoniac étant invoquée sur Titan, des expériences haute pression – basse température ont été réalisées dans les systèmes H2O-NH3, H2O-CH4, et H2O-NH3-CH4 pour apporter des contraintes sur ce processus. L’étude de la fusion des glaces dans les systèmes H2O-NH3 et H2O-NH3-CH4 a apporté de nouvelles données expérimentales, qui ont permis d’établir un modèle thermodynamique des glaces et de l’eau liquide, puis un modèle de l’effet de l’ammoniac sur l’activité de l’eau. Les expériences sur la dissociation des clathrates de méthane dans H2O-CH4 ont mis en avant deux effets : l’éventuelle présence d’azote et la faiblesse des concentrations en méthane des échantillons (inférieures à 0. 2-0. 3 %) entraînent une diminution de la température de dissociation pouvant atteindre 15 K et 40 K, respectivement. Les données de dissociation obtenues dans le système ternaire H2O-NH3-CH4 suggèrent un rôle significatif de l’ammoniac. Un modèle de cryovolcanisme sur Titan a été proposé, selon lequel la dissociation d’une couche superficielle de clathrates de méthane par des cryomagmas provenant de la fusion d’hydrates d’ammoniac peut permettre le maintien des quantités atmosphériques actuelles de méthane sur des durées pouvant atteindre 2 milliards d’années. Un cryovolcanisme épisodique durant l’histoire de Titan permettrait d’expliquer les quantités actuelles de méthane atmosphérique.

Intense photochemical processes preclude the persistence of Titan’s current atmospheric methane abundance over 100 million years. Dissociation of an internal methane clathrate hydrates reservoir is a likely replenishment mechanism. As the presence of ammonia has long been suggested on Titan, high pressure – low temperature experiments have been conducted in the H2O-NH3, H2O-CH4, and H2O-NH3-CH4 systems to bring new constraints on this process. New experimental data on the melting of ices in the H2O-NH3 and H2O-NH3-CH4 systems have been acquired, which allowed developing first a thermodynamic model of ices and liquid water, and then a model of the effect of ammonia on liquid water’s activity. Experiments on the dissociation of methane clathrate hydrates in H2O-CH4 have shown its dependence on two effects : presence of nitrogen and low methane contents of the samples (below 0. 2-0. 3%) induce a decrease in the dissociation temperature of up to 15 K and 40 K, respectively. Dissociation data obtained in the ternary system H2O-NH3-CH4 suggest a significant impact of ammonia. A model of cryovolcanism applicable to Titan is proposed. It suggests that the dissociation of a superficial clathrate layer, due to interactions with cryomagmas originating from the melting of ammonia hydrates, could sustain the atmospheric methane current abundances over periods as long as 2 billion years. Episodic cryovolcanism during Titan’s history could explain the current methane amounts in its atmosphere.