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Accueil > Recherche > Équipe Spectroscopie - Planétologie - Atmosphères - Clathrates - Environnement > Présentation des thématiques de recherche

Interfaces gaz/solides dans les atmosphères planétaires

Chercheurs : V. Ballenegger, A. Lakhlifi, L. Martin-Gondre, S. Picaud, D. Vardanega

Cette thématique de recherche se développe selon 2 grands axes.

Le premier axe concerne les interfaces carbonées, constituées de carbone organique ou de carbone suie. Il s’agit de modéliser, à partir de simulations numériques à l’échelle moléculaire, les caractéristiques physicochimiques des aérosols carbonés (réactivité, vieillissement, hygroscopie, propriétés optiques) afin de contribuer à améliorer la connaissance de leur impact quantitatif sur les évolutions climatiques et notre environnement. Ces simulations se basent sur une collaboration étroite avec les expérimentateurs .
En ce qui concerne plus spécifiquement la thématique "carbone suie", des points communs forts existent avec l’étude des particules carbonées dans la poussière interstellaire, ce qui permet d’envisager des travaux communs avec l’équipe PhAs. La problématique de la réactivité à la surface de ces objets carbonés dans le milieu interstellaire est également abordée dans la mesure où elle pourrait donner naissance aux acides aminés, premières briques élémentaires du vivant.

Le deuxième axe de recherche concerne les interfaces gaz/glace et se focalise plus spécialement sur la sélectivité des processus de piégeage par les particules de glace et les structures de type clathrates, en utilisant les simulations numériques de type dynamique moléculaire (classique et quantique) et Monte Carlo. Les travaux de modélisation des clathrates se déroulent en particulier dans le cadre du projet ANR MI2C, consacré à l’étude de l’influence des impuretés minérales sur le piégeage des volatils dans les clathrates.

Au cours du précédent contrat quinquennal (2012 - 2016) nous avons obtenu de nombreux résultats dans cette thématique, dont les plus marquants sont les suivants.
* A partir de simulations de dynamique moléculaire et d’études de réactivité mettant en oeuvre les méthodes de la chimie quantique (ab initio, DFT), nous avons étudié les particules de type carbone-suie et carbone organique, en collaboration étroite avec des théoriciens de la chimie quantique (JC et MT Rayez à Bordeaux, J. Rubayo-Soneira à Cuba). Pour le carbone-suie, nous avons modélisé la réactivité de défauts structurels vis-à-vis de quelques oxydants typiques de l’atmosphère (O, O 2 , O 3 , NO et H 2 O) et montré que la stabilité et la réactivité de lacunes multi-atomiques dépendent du nombre d’atomes de carbone qui manquent sur la surface (en particulier sa parité).
* De plus, en paramétrant une nouvelle méthode de calcul (la méthode SE-D, pour "semi-empirical dispersion") nous avons pu décrire des systèmes carbonés où les interactions de dispersion sont prépondérantes. Ainsi, nous avons étudié la réactivité de molécules d’hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP) adsorbées sur les suies et expliqué le caractère inhibiteur de l’adsorption sur la réactivité des HAP avec OH, en accord avec les données expérimentales.
* Par ailleurs, en lien étroit avec M. Devel (Institut FEMTO-ST, Besançon) nous avons modélisé la réponse optique de particules de carbone-suie par une méthode de type PDI (Point Dipole Interaction) qui permet d’établir un lien direct entre la structure atomique d’une particule et ses coefficients d’absorption et de diffusion. Nous avons ainsi montré que les caractéristiques atomiques d’une particule de carbone ont un impact détectable sur les valeurs de son coefficient d’absorption massique (MAC, couramment employé dans la communauté des aérosols) et démontré que le MAC d’une particule de suie réaliste ne peut pas être assimilé à celui d’une particule sphérique homogène (comme dans de nombreux modèles standards). Ces travaux s’inscrivent désormais dans le cadre du GDR SUIE.
* En ce qui concerne le carbone organique, nous avons caractérisé, pour la première fois, le comportement thermodynamique d’agrégats de molécules R-COOH en fonction du taux d’humidité et de la température, afin de modéliser le comportement d’aérosols organiques dans l’atmosphère. Nous avons montré que le rapport O/C joue un rôle important (en accord avec les résultats expérimentaux) mais qu’à lui seul il ne permet pas de prédire le comportement d’un aérosol organique ; celui-ci dépend aussi du type d’acide (mono- ou di-acide) et de la géométrie interne des molécules d’’acide.
* Dans la suite de nos premiers travaux, nous avons caractérisé l’adsorption,
en fonction de la température d’un ensemble de molécules organiques complexes, représentatives des principaux polluants de l’atmosphère. Par des simulations de Monte Carlo dans l’ensemble grand canonique, nous avons montré l’importance des interactions latérales entre molécules adsorbées, qui sont pourtant rarement prises en compte dans l’interprétation des expériences. Ce travail a été mené en collaboration avec P. Jedlovszky (Budapest) et M. Roesolava (Prague).
* Pour des applications en planétologie, nous avons étudié le piégeage des volatils dans les clathrates en modélisant les interactions gaz/glace à partir d’une description atome-atome des champs de force considérés et de la mise en oeuvre de simulations moléculaires, les résultats étant ensuite incorporés dans le modèle usuel de Van der Waals et Platteeuw. Nous avons montré l’influence de certaines approximations sur le calcul des rapports d’abondances des espèces piégées, information capitale pour les scénarios de formation des corps du Système Solaire. Nous avons étudié la présence de clathrates sur Mars, Titan et, récemment, dans les lacs souterrains d’Encelade sur la base de travaux consacrés initialement au Lac de Vostok. Nous avons élaboré une base de données pour le calcul des constantes de Langmuir (et donc les rapports d’abondances), toujours très utilisées dans les modèles simplifiés. Ces travaux font l’objet d’une collaboration étroite avec des modélisateurs de l’ICB (Dijon).
* Nous avons développé une équation d’état de l’hydrogène très précise, pour répondre notamment aux besoins de l’héliosismologie. Nous avons déterminé en particulier les expressions analytiques exactes des cinq premières corrections à
l’équation d’état idéale de Saha, puis avons calculé numériquement ces corrections dans une approximation où les fonctions de cluster sont remplacées par des fonctions de partition usuelles pour les atomes, molécules et ions (H, H - , H 2 , H 2+ ). Une comparaison détaillée de nos prédictions avec d’autres approches théoriques et de simulations a établi la validité de nos calculs. Dans le cadre d’une thèse codirigée avec A. Alastuey de l’ENS de Lyon, nous avons développé un code de type Path Integral Monte Carlo (PIMC) pour calculer exactement les fonctions de cluster. Ces fonctions ne peuvent pas être obtenues par des simulations standard. Nous avons donc développé notre propre code PIMC utilisant un échantillonnage spécifique et une discrétisation adaptative des intégrales de chemins significativement plus efficace que la discrétisation uniforme habituelle. Nous avons publié des résultats numériques précis pour les fonctions de clusters à 3 particules. L’extension de notre équation d’état au mélange hydrogène-hélium et son application aux conditions thermodynamiques caractéristiques du Soleil est en cours.