Étude d’espèces traces dans la basse atmosphère de Titan

Study of trace species in Titan’s lower atmosphere

• Auteur / Autrice : Koyena Das
• Direction : Cyril Szopa, Thomas Gautier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Astronomie et Astrophysique
• Date : Soutenance le 06/12/2024
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Astronomie et astrophysique d'Île-de-France (Paris ; 1992-....)
• 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 Physique (2020-….)
• Jury : Président / Présidente : Valérie Ciarletti
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Gabriel J. R. Tobie, Nicolas Fray, Véronique Vuitton
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Gabriel J. R. Tobie, Nicolas Fray
• DOI : 10.70675/0677fa64z2141z4cf8z9b57zd129c94f640e

Mots clés

Mots clés contrôlés

Spectrométrie de masse

Planètes -- Atmosphères

Mission Cassini/Huygens

Titan (satellite de Saturne)

Mots clés libres

Cassini-Huygens

Titan

Spectrométrie de masse

Mission spatiale

Analyse expérimentale

Atmosphères Planétaires

Cassini-Huygens

Titan

Mass spectrometry

Space mission

Experimental analysis

Planetary atmospheres

Résumé

Dans l'atmosphère de Titan, les deux gaz majoritaires, CH4 et N2, sont photolysés dans la haute atmosphère, conduisant à une chimie complexe. La mission Cassini-Huygens, orbitant Saturne entre 2004 et 2017, a permis d'étudier l'atmosphère et sa dynamique. Lasonde Huygens s'est posée sur Titan en janvier 2005 et a mesuré in situ la compositionde la basse atmosphère (en dessous de 150 km) pendant sa descente et à la surface . LeGas Chromatograph Mass Spectrometer (GCMS) à bord de cette sonde a mesuré la composition atmosphérique et dans cette thèse, j'ai utilisé cet ensemble de données pour quantifier la composition de huit espèces traces entre 145km d'altitude et la surface - H2, C2H2, C2H4, C2H6, HCN, Ar, Ne, CO2. En raison du manque d'étalonnage instrumental des gaz à l'état de traces par l'équipe GCMS, j'ai utilisé une technique statistique de déconvolution des spectres de masse et une approche analytique des facteurs de calibration me permettant de surmonter cet absence de calibration instrumentale. En particulier, j'ai utilisé une technique d'échantillonage Monte Carlo pour faire varierles intensités relatives des schémas de fragmentation des espèces mesurées par GCMS. De plus, le jeu de données présentait des problèmes qui devaient être corrigés avant de récupérer les fractions molaires atmosphériques. J'ai donc corrigé les données pour tenir compte du temps mort et de la saturation du détecteur à m/z 28, supprimé le bruit de fond, interpolé les paramètres physiques ambiants à l'aide des mesures HASI (un instrument sonde) et corrigé empiriquement la diaphonie à m/z 26, 27 et 29 en raison de 28.Une fois le recalibrage du jeu de données terminé, les profils verticaux des fractions molaires de ces huit espèces traces ont pu être inversés. Les fractions molaires de C2H2, C2H4, C2H6 et HCN étaient plus élevées que prévu par rapport aux résultats de Cassini CIRS et de Titan PCM, et il n'y avait pas de tendance visible à la condensation après 80 km, ce qui est en profond désaccord avec les connaissances actuelles de l'atmosphère de Titan. Ce résultat à permis de montrer que GCMS n'a pas mesuré uniquement les gaz atmosphériques. L'hypothèse la plus convaincante pour expliquer les donnéessemble être la désorption d'une couche condensée de composés organiques sur les aérosols à l'intérieur de l'instrument chauffé. Afin de tester cette hypothèse, j'ai également effectué un traitement préliminaire sur le jeu de données ACP (un autre instrument de la sonde) qui était censé étudier les aérosols dans l'atmosphère deTitan. HCN et NH3 ont pu être détectés lorsque les particules condensées échantillonnées ont été chauffées à -70 ◦C, 250 ◦C, et 600 ◦C.J'ai également mené des études expérimentales sur des analogues d'aérosols de Titan afin d'étudier la composition chimique de leurs couches externes en les pyrolysant entre 50 et 300 ◦C. Environ 19 espèces ont été identifiées, la plupart d'entre elles s'évaporant à partir de 150 ◦C. Des espèces comme NH3, HCN, C2H2, C2H4, C2H6, C3H8 qui ont été détectées par Huygens GCMS et ACP ont également été identifiées ici à basse température. Les mesures de la pression de vapeur de ces espèces se sont révélées beaucoup plus élevées que les conditions atmosphériques de Titan aux températures de fonctionnement du GCMS, confirmant ainsi l'hypothèse du dégazage.Enfin, j'ai également pu obtenir pour les fractions molaires de quatre espèces traces entre 73 et 75 km dans l'atmosphère de Titan à partir d'un autre jeu de données de GCMS, permettant ainsi de fournir, pour la première fois, leur concentrations dans la basse atmosphère de Titan.

In Titan's atmosphere, the two major gases CH4 and N2 are photolyzed in the upper atmosphere, leading to a complex chemistry. The Cassini-Huygens mission between2004 and 2017 studied the atmosphere and its dynamics. The Huygens probe landed on Titan in January 2005 and it measured the lower atmosphere (below 150 km) and surface composition in situ. The Gas Chromatograph Mass Spectrometer (GCMS) onboard this probe measured the atmospheric composition and in this thesis, I have used this dataset to quantify eight trace species composition at these altitudes- H2, C2H2, C2H4, C2H6, HCN, Ar, Ne, CO2. However, due to the lack of instrumental calibrations of trace gases by the GCMS team, I used a mass spectra deconvolution technique coupled withan analytical approach to the calibration factor, which helped me overcome this issue. In particular, I used Monte Carlo sampling to vary the relative intensities of fragmentation patterns of these species measured by GCMS. The dataset had further issues that needed to be corrected before retrieving the mole fractions. Hence, I corrected the data for detector dead-time and saturation at m/z 28, removed the background, interpolated ambient physical parameters with HASI measurements, and empirically correctedcross-talk at m/z 26, 27, and 29 due to 28.Once the recalibration of the dataset was completed, the vertical profiles of mole fractions of these eight trace species were retrieved. The mole fractions of C2H2, C2H4, C2H6, and HCN were higher than expected when compared with Cassini CIRS and Titan PCM results, and there was no visible trend of condensation after 80 km which was not in agreement with anything known about Titan's atmosphere. This demonstrated that GCMS did not measure atmospheric gases only. The strongest hypothesis we foundthat could explain the GCMS measurement during the descent is the desorption of a condensed layer of organics on aerosols inside the heated instrument. In order to test this hypothesis, I did some preliminary investigations on the ACP dataset (another instrument on the probe) that was aimed at studying aerosols in Titan's atmosphere. HCN and NH3 might have been detected when sampled condensed particles were heated at -70 ◦C, 250 ◦C, and 600 ◦C.I also conducted experimental studies on Titan aerosols analogs to study the chemical composition in their outer layers by pyrolyzing them between 50 and 300 ◦C. About 19 species were identified, most of them evaporating from 150 ◦C. Species like NH3, HCN, C2H2, C2H4, C2H6, C3H8 that were detected by Huygens GCMS and ACP have also been identified here at low temperatures. The vapor pressure measurements of these species were found much higher than Titan atmospheric conditions at GCMS operatingtemperatures, thus confirming the outgassing hypothesis.Finally, from another subset of GCMS data, I was able to retrieve the mole fractions of four trace species between 73 and 75 km, providing their first-ever measurement in the lower atmosphere of Titan.