Formation de complexes moléculaires hydratés appliquée aux sciences planétaires

Formation of molecular hydrated complexes for planetary sciences

• Auteur / Autrice : Audrey Moudens
• Direction : Robert Georges, Olivier Mousis
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance en 2010
• Etablissement(s) : Rennes 1
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la matière (Rennes1996-2016)
• Partenaire(s) de recherche : Autre partenaire : Université européenne de Bretagne (2007-2016)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Nébuleuses planétaires

Hautes températures

Fourier, Spectroscopie par transformée de

Gaz -- Écoulement

Hydrates

Résumé

Les clathrates hydrates sont des structures cristallines formées de cages de molécules d’eau reliées entre elles par liaison hydrogène et qui piègent en leur centre une molécule de gaz appelée molécule hôte. Leur présence est suspectée à la surface de nombreux corps glacés du système solaire, dont les conditions thermodynamiques semblent favorables à leur stabilité. Nous avons notamment montré par des simulations qu’ils pouvaient se trouver à la surface de Pluton et Triton. Des modèles astrophysiques ont établi par ailleurs que ces structures cristallines ont probablement été incorporées aux planétésimaux à partir desquels les corps planétaires se sont formés au sein de la nébuleuse primitive. Un des objectifs de mon travail a été de valider cette hypothèse. Les conditions de basses températures (10-100K) et basses pressions (105-5-10-44 mbar) régnant dans la nébuleuse primitive ont été reproduites en laboratoire par la mise en détente supersonique d’un mélange de vapeur d’eau et de gaz. La spectroscopie infrarouge par transformée de Fourier par absorption donne accès à la nature et à la dynamique des complexes moléculaires qui se forment dans le jet supersonique. Sous certaines conditions une condensation mixte de molécules d’eau et d’atomes d’argon a été observée. L’interprétation des spectres infrarouges, basée sur des calculs de chimie quantique, a révélé que sur la durée d’une détente typiquement inférieure à 100 µs, ce sont les atomes d’argon qui viennent enrober les molécules d’eau et non l’inverse. Ce résultat ne remet pas forcément en cause la formation de clathrates en jet supersonique, mais montre que des temps plus longs sont nécessaires à un réarrangement des molécules agrégées vers la structure clathrate. Une deuxième étude a été réalisée sur le dispositif Jet-AILES implanté au synchrotron Soleil, à partir d’un mélange gazeux de vapeur d’eau et de CO2. Des complexes hétérogènes (H2O)m-(CO2)n et (CO2)n ont été détectés à haute résolution. Le transport des particules de poussière par le processus de photophorèse au sein de la nébuleuse primitive a également été étudié. Nos simulations ont montré que les particules de poussières parviennent à de larges distances héliocentriques grâce au mécanisme de photophorèse et confirment l’hypothèse de l’accrétion par les comètes des minéraux haute température dans les régions externes de la nébuleuse solaire. Enfin, la spectroscopie infrarouge haute température de l’acétylène, molécule présente dans les enveloppes circumstellaires des étoiles froides carbonées est présentée. La source haute enthalpie réalisée précédemment au laboratoire a permis l’acquisition de spectres haute résolution de l’acétylène entre 800 K et 1455 K. La simulation des spectres à l’aide d’un modèle de transfert radiatif a montré que l’épaisseur optique de l’échantillon sondé était à l’origine d’une altération du rapport d’intensité entre raies ortho et para. Cette anomalie s’est avérée être un moyen efficace pour extraire la densité-colonne de nos échantillons et pourrait être utilisée pour accéder à celles des enveloppes circumstellaires des étoiles froides carbonées.

Clathrate hydrates are crystalline compounds consisting of guest molecules of gas trapped inside cages of hydrogen bonded water molecules. They are suspected to be present on icy planetary surfaces in the solar system, where thermodynamics conditions are favorable to their stability. We showed by simulations that they can exist on the surfaces of Pluto and Triton. Astrophysical models established that these crystalline structures could be incorporated in planetesimals in the solar nebula, from which planets formed. The aim of my work was to check this hypothesis, reproducing low temperature (10-100 K) and low pressure (10-5-10-4 mbar) conditions of the solar nebula, using supersonic expansion of water vapour and gas mixtures. Fourier Transform Infrared Absorption Spectroscopy was used to retrieve nature and dynamics of molecular complexes formed in the supersonic jet. Under some conditions, mixed condensate of water vapour and argon was observed. The interpretation of the infrared spectra based on quantum chemistry calculations, revealed that on the typical timescale of 100 µs during the expansion, argon atoms surround water aggregates, while they would have been trapped inside cages of hydrogen bonded water molecules in the case of a clathrate structure. This result do not necessarily compromise the formation of clathrate hydrates in the jet, but means that longer times are needed to the rearrangement of molecules toward a clathrate structure. A second study was realized using Jet-AILES apparatus at Synchrotron Soleil, with a gaseous mixture of water vapour and carbon dioxide. Heterogeneous complexes (H2O)m-(CO2)n and (CO2)n were detected at high resolution. The transport of dusty particles in the solar nebula by photophoresis was also investigated. Our simulations showed that dusty particles are able to reach large heliocentric distances under the photophoretic effect. It confirms the hypothesis of accretion of high temperature minerals by comets in the outer part of the solar nebula. Finally, high temperature spectroscopy of acetylene, molecule formed in the circumstellar envelopes of cold carbon stars, is presented. The high enthalpy source previously designed in the laboratory was used to produce high resolution spectra of acetylene between 870 K and 1455 K. The simulation of spectra with the help of a radiative transfer model revealed that the optical thickness of the probed gas sample affected the intensity ratio between ortho and para lines. This anomaly turned out to be a good way to estimate the acetylene concentration in the samples and can be used to characterize circumstellar envelopes.