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Thèse Année : 2018

Study of Titan’s Upper and Lower Atmosphere: An Experimental Approach

Etude de la Haute et Basse Atmosphère de Titan: Approche Expérimentale

David Dubois

Résumé

Titan is the only moon in the Solar System to possess its own dense and gravitationally bound atmosphere, and is even larger than planet Mercury. Its rocky diameter is a mere 117 km shy of Ganymede’s. If we were to scoop up a 1 cm3 sample from Titan’s upper atmosphere, we would find two dominant molecules: molecular nitrogen N2 and methane CH4. Should we look a bit more carefully, we would find many neutral molecules and positive and negative ion compounds. These chemical species are the outcome of processes resulting from energetic radiation reaching Titan’s upper atmosphere, breaking apart the initial N2 and CH4. A cascade of subsequent reactions will trigger the formation of new gas phase products more and more complex. Eventually, these products mainly containing hydrogen, carbon and nitrogen will form large fractal aggregates composing the opaque haze en- shrouding the surface of Titan. This haze is what gives Titan such a unique brownish hue. Most of the photochemically-produced volatiles will eventually condense in the lower atmosphere, where they may aggregate to form micrometer-sized icy particles and clouds. During my PhD, I have focused my studies on (i) the gas phase reactivity of aerosol precursors in experimental conditions analogous to Titan’s upper atmosphere (Chapters 3 & 4), and (ii) the end of life of some of the products as they con- dense in the lower and colder atmosphere (Chapter 5). I used two experiments to address these respective issues: the PAMPRE plasma reactor, located at LATMOS, UVSQ, Guyancourt, France, and the Acquabella chamber at the Jet Propulsion Laboratory, California Institute of Technology, Pasadena, USA. In this manuscript, I present my work on the neutral and positive ion reactivity in the PAMPRE plasma discharge, as well as ice photochemistry results using laser irradiation in near-UV wavelengths.
Je présente ici mes travaux de thèse que j’ai réalisé ces trois dernières années au sein du Laboratoire ATMosphères et Observations Spatiales (LATMOS) de l’Université de Versailles St- Quentin-en-Yvelines (UVSQ) et du Jet Propulsion Laboratory (JPL), California Institute of Technology. Pendant ces 3 ans je me suis intéressé à la réactivité chimique des composés organiques en phase gaz et solide, en utilisant des expériences de laboratoire simulant les conditions de l’ionosphère et de la basse atmosphère de Titan, le plus gros satellite de Saturne. Titan est la seule lune du Système Solaire qui possède sa propre atmosphère. Cette atmosphère est principalement composée d’azote moléculaire (N2). Le méthane (CH4) forme le gaz secondaire. D’une part, j’ai analysé les composés neutres et les composés chargés (ions) présents dans des mélanges gazeux simulant la haute atmosphère de Titan. Ces composés sont considérés comme précurseurs chimique à la brume organique observée entourant Titan. C’est-à-dire qu’ils forment les premières étapes d’une succession de réactions chimiques de plus en plus élaborées formant plus bas dans l’atmosphère des particules solides complexes. La nature de ces particules dans l’atmosphère de Titan reste encore à élucider complètement. Mon travail pendant cette thèse a été d’utiliser des expériences de laboratoire pour investiguer la réactivité chimique en phase gaz (Chapitres 3 & 4), précurseurs à la formation d’aérosols, ainsi que le vieillissement de ces composés plus bas dans l’atmosphère lorsqu’ils forment les premiers condensats de nucléation à la formation de nuages (Chapitre 5).
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Dates et versions

tel-01925462 , version 1 (16-11-2018)
tel-01925462 , version 2 (19-03-2019)

Identifiants

  • HAL Id : tel-01925462 , version 1

Citer

David Dubois. Study of Titan’s Upper and Lower Atmosphere: An Experimental Approach. Planetology. Université de Versailles Saint Quentin en Yvelines (UVSQ), France, 2018. English. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-01925462v1⟩
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