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O + OH → O2 + H : une réaction clé en astrophysique

La réaction exothermique O + OH → O2 + H joue un rôle clé en physico-chimie de l’atmosphère et en astrophysique. En effet, cette dernière a un rôle déterminant dans la chimie de l’ozone et est au cœur de ce qui est appelé ’’le dilemme HOx’’ qui traduit l’incapacité des modèles photochimiques existants à prédire correctement l’abondance de OH (et celle de HO2) au-dessus et en dessous de la stratopause. La réaction O + OH → H + O2 joue aussi un rôle majeur en astrophysique car elle est directement liée au problème interstellaire de l’oxygène. Il existe aujourd’hui un désaccord très net entre les observations (satellites SWAS, ODIN) et l’abondance de l’oxygène diatomique donnée par les modèles astrophysiques. Ces modèles donnent une abondance de O2 qui est supérieure d’un facteur 1000 à celle déduite des observations astronomiques. La réaction O + OH étant la principale source de O2dans les nuages interstellaires denses et froids (jusqu’à 10 K), il est nécessaire de connaître de façon précise le taux de réaction ou constante de vitesse pour ce système aux basses températures rencontrées dans ces nuages. Or les expériences avec des radicaux sont très difficiles à mettre en œuvre et encore plus à des températures aussi basses.

Due à son importance dans de nombreux environnements, on compte un nombre considérable d’études expérimentales de la réaction O + OH principalement à température ambiante et au-delà. Jusqu’à présent les taux de réaction ou constantes de vitesse à basse température (en dessous de 50 K) provenaient, faute de mieux, d’extrapolations de mesures faites à plus hautes températures. Depuis les années 60, parallèlement aux expériences, de nombreuses études théoriques ont été menées. Toutes utilisaient des méthodes approchées dans le traitement de la dynamique moléculaire. En effet, pour la réaction O + OH, des calculs quantiques exacts de dynamique des noyaux avec un potentiel d’interaction obtenu de manière ab-initio sont très difficiles à mettre en œuvre et surtout très coûteux en temps, à cause notamment d’un grand nombre d’états quantiques à prendre en compte du fait de puits profond dans la surface d’énergie potentielle. Cependant, des chercheurs d’UTINAM avec des collègues de l’université du Havre et américains ont pu entreprendre et converger de tels calculs de dynamique à basse température (jusqu’à 10 K). Ces calculs intensifs ont pris plus de 6 mois sur un cluster et ont démontré que toutes les simulations numériques entreprises jusqu’à présent donnaient des résultats erronés, surtout aux températures les plus basses (T < 50 K). De plus, ces calculs délimitent clairement la dépendance en température du taux de réaction pour O + OH dans la gamme 10 K - 50 K. Enfin, ces résultats suggèrent que les taux de réaction utilisés dans les modèles astrophysiques sont très incorrects. Cette étude montre donc qu’il faut certainement reconsidérer les abondances de certaines espèces clé (O2, OH, …) dans le milieu interstellaire données par les modèles astrophysiques actuels.

Ce travail encourage de futures études qui pourront être faites dorénavant sur d’autres réactions radical-radical similaires et importantes. Tous ces résultats pourront servir de référence pour calibrer de nouvelles méthodes théoriques plus approchées. Ils aideront notamment au développement de modèles de simulation plus sophistiqués en astrophysique, mais aussi en physico-chimie de l’atmosphère ou en combustion. Enfin, les comparaisons entre les résultats de dynamique quantique et les expériences futures permettront de mieux comprendre ces réactions radicalaires et de percer le mystère qui demeure encore aujourd’hui pour beaucoup d’entre elles.

Contact : Pascal Honvault, pascal.honvault chez univ-fcomte.fr ; Mohamed Jorfi : mohamed.jorfi chez univ-fcomte.fr.

Référence : F. Lique, M. Jorfi, P. Honvault, et al., J. Chem. Phys., Communication 131, 221104 (2009).