La surface de la glace : structure, dynamique et interactions : implications astrophysiques
Résumé
In this work, the structure and dynamics of ice surface at low temperature and their different interactions with gases are studied. First, the surface of different kinds of ice is characterized with the help of the comparison between the adsorption properties of nitrogen and argon. For hexagonal ice, the study focused on powders obtained by crushing mnocristals at 77K. We point out the polar character of this type of surface and we analyse the reduction of the adsorption capacities observed after annealing at higher temperature (>190K). A mechanism of water molecules diffusion is suggested to explain these surface evolution kinetics. Then, we show that amorphous ice condensed at 77K has a porous structure, the arrount and the distribution of pores depending on the conditions of condensation. Moreover, it appears that a great instability characterizes these condensates. An interpretation of the properties of these ice condensates is proposed with the aid of the aggregation models. Secondly, a study of CO2 clathrate hydrate formation and decomposition by gas-ice interaction is done at low temperature (about 200K). We point out that a diffusion of water molecules controls the growth of the clathrate structure. For clathrate decomposition, the results suggest a diffusion mechanism of the guest molecules trough the clathrate network and a reorganization of this structure. These different results are applied to two astrophysical problems : In the case of interstellar grains we show that the rate of synthesis of molecular hydrogen is very high on the surface of an amorphous and porous ice grain. For comets , we analyse the different outgassing mechanisms that can occur during the thermal evolution of the nucleus. Particularly, we point out that clathrate hydrate occurence cannot be infered from the gas production observations and we set down the basis of a new type of models for ccmetary nucleus evolutions
Dans ce travail on étudie la structure et la dynamique de la surface de la glace à basse température, ainsi que ses différentes interactions avec les gaz. En premier lieu, on caractérise la surface de différents types de glaces à partir de la comparaison des propriétés d'adsorption de l'azote et de l'argon. Pour la glace hexagonale, l 'étude a été centrée sur les poudres obtenues par broyage de monocristaux à 77K. On met en évidence le caractère polaire de ce type de surface, puis on analyse la réduction de capacité d'adsorption observée après recuit à plus haute température (>190K). Un mécanisme de diffusion des molécules d'eau est proposé pour interpréter ces cinétiques d'évolution de la surface. On montre ensuite que la glace amorphe condensée sous vide à 77K possède une structure poreuse, la quantité et la distribution de la taille des pores dépendant des conditions de condensation. Il apparait en outre qu'une très grande instabilité caractérise ces condensats. Une interprétation des propriétés de ces condensats de glace est proposée à l ' aide des modéles d'agrégations. Une étude de la formation et de la décomposition des clathrates hydrates de CO2 par interaction gaz-glace est ensuite menée à basse température ( autour de 200K) . On met en évidence un mécanisme de croissance de la structure clathrate controlé par une diffusion des molécules d'eau. Pour la décomposition, les résultats suggérent un mécanisme de diffusion du gaz à travers le réseau clathrate suivi de la réorganisation de cette structure. Ces différents résultats sont appliqués à deux problèmes de l'astrophysique: Dans le cas des grains interstellaires , on montre que les taux de synthèse de l'hydrogène moléculaire doivent être très élevés à la surface d'un grain de glace amorphe et poreux. Pour les comètes, on analyse les différents mécanismes de dégazage pouvant avoir lieu au cours de l'évolution thermique du noyau. En particulier, on met en évidence l'impossibilité de déduire l'existence de clathrates hydrates à partir de l'observation des productions de gaz et on pose les bases d'un nouveau type de modèle d'évolution des noyaux comètaires.