Evolution chimique et optique des aérosols de TITAn soumis à des RADiations à haute énergie – TITARAD

TITARAD est un projet multidisciplinaire réunissant un large éventail de scientifiques possédant des compétences complémentaires en matière d'irradiation de particules énergétiques, de techniques analytiques, d'observations infrarouges spatiales et de modélisation photochimique/microphysique. Ils uniront leurs forces pour étudier l'impact de l'irradiation ionique à haute énergie sur la formation des aérosols de Titan et sa rétroaction sur la chimie de la phase gazeuse. Nous prévoyons d'atteindre ces objectifs en suivant trois voies distinctes mais complémentaires. TITARAD déterminera d'abord la composition des particules de brume photochimique dans l'ensemble de l'atmosphère grâce à la modélisation de leurs processus de formation et à des simulations en laboratoire de l'irradiation par O+ de composés organiques riches en azote (WP1). TITARAD étudiera ensuite l'irradiation par les rayons cosmiques galactiques (GCR) des glaces organiques (WP2) et utilisera ces contraintes expérimentales pour analyser les observations Cassini des nuages de glace stratosphériques et modéliser leur formation et leur impact sur la phase gazeuse (WP3).
- WP1 : Nous déposerons des films de matériaux organiques simulant les aérosols de Titan (Tâche 1.1) et les irradierons avec des ions d'oxygène d'énergie comprise entre 1 et 100 keV (Tâche 1.2). Nous étudierons l'impact de l'irradiation sur la complexité moléculaire des échantillons (Tâche 1.3). Nous modéliserons la composition chimique de la brume dans toute l'atmosphère, en mettant l'accent sur l'incorporation de l'oxygène (tâche 1.4). Nous aborderons les objectifs 1 et 4.
- WP2 : Nous irradierons avec des particules allant de 10 keV à 1 MeV/u des glaces organiques pures entrant dans la composition des nuages de Titan (Tâche 2.1) et des mélanges de ces mêmes glaces (Tâche 2.2) et déterminerons leurs constantes optiques. Nous analyserons ex situ la composition moléculaire du résidu organique formé lors de l'irradiation (Tâche 2.3). Nous répondrons aux objectifs 2, 3 et 4.
- WP3 : Nous analyserons les observations CIRS et VIMS de Cassini des nuages stratosphériques polaires de Titan (Tâche 3.1). Nous simulerons la formation des nuages et le rôle des GCR, d'abord dans les conditions équatoriales de Titan pour évaluer le modèle (tâche 3.2) et ensuite dans les conditions polaires (tâche 3.3). Nous aborderons les objectifs 2, 3 et 4.

Les 13 années (2004-2017) d'exploration du système saturnien par la mission Cassini-Huygens ont révélé que la chimie atmosphérique de Titan est de loin la plus complexe du système solaire. Dans la haute atmosphère, les spectromètres de masse de Cassini ont détecté la présence d'ions positifs et négatifs atteignant des milliers d'unités de masse atomique qui ont été interprétés comme des hydrocarbures aromatiques polycycliques potentiellement azotés. Il a été démontré par la suite que ces macromolécules proviennent de la photochimie initiée par l'impact du rayonnement solaire sur N2 et CH4, les deux principaux constituants atmosphériques, et qu'elles sont les précurseurs de la brume organique observée à plus basse altitude. Dans la basse atmosphère, des nuages de glace ont été observés par les instruments de télédétection infrarouge de Cassini. Ils résultent de la condensation sur les particules de brume des nombreux composés organiques (hydrocarbures et nitriles) formés dans la haute atmosphère, produisant des glaces typiquement observées aux hautes latitudes polaires hivernales. Finalement, la brume photochimique et les nuages tombent sous forme de neige vers la surface, où ils contribuent au régolithe de Titan ou s'imprègnent dans les centaines de lacs et mers polaires.
Malgré ces découvertes étonnantes, de nombreuses questions sur la chimie atmosphérique de Titan restent encore non-résolues. L'origine des espèces oxygénées en phase gazeuse détectées dans cette atmosphère réductrice fait l'objet d'un débat et l'on ignore dans quelle mesure l'oxygène est incorporé dans des molécules complexes. Les propriétés optiques (et donc la composition chimique) de la brume photochimique de Titan ne sont pas entièrement comprises. L'interaction des nitriles avec les aérosols et les processus photochimiques dans la phase solide doivent encore être explorés. Les processus de formation des nuages, leur évolution chimique et leur impact sur la phase gazeuse ne sont toujours pas clairs.
TITARAD vise à construire une image pionnière de la formation des aérosols sur Titan, cohérente sur le plan expérimental, théorique et observationnel. Il permettra de comprendre comment les ions magnétosphériques et les rayons cosmiques (GCR) modifient la composition chimique et les propriétés optiques de la brume photochimique et des nuages, et si la pulvérisation de leur surface peut avoir un impact sur la phase gazeuse, des sujets qui n'ont pas été étudiés jusqu'à présent. Nous comblerons ce manque de connaissances grâce à (i) de nouveaux montages expérimentaux et de grandes infrastructures de recherche, (ii) des modèles photochimiques-microphysiques de pointe et (iii) un code de transfert radiatif 3D développé dans le cadre du projet ANR RaD3-net financé en 2021.
Nous fournirons des éléments clés qui permettront de répondre aux objectifs suivants :
1) Quelle est la dose nécessaire pour que l'irradiation par les ions O+ ait un impact sur la complexité moléculaire de matériaux organiques riches en azote ? Quelle est la composition élémentaire des embryons d'aérosols dans la haute atmosphère de Titan ?
2) De nouvelles bandes spectroscopiques apparaissent-elles lors de l'irradiation par des particules de glaces organiques pures et co-condensées ? Quelles sont la composition des nuages stratosphériques de Titan ? Les GCR jouent-ils un rôle dans leur processus de formation ?
3) Des espèces sont-elles libérées en phase gazeuse lors de l'irradiation par des particules de glaces organiques pures et co-condensées ? La pulvérisation de la surface des nuages stratosphériques de Titan a-t-elle un impact sur la phase gazeuse ?
4) Quels sont les flux massiques de composés chimiques d’intérêt prébiotique déposés à la surface ?
La réponse à ces questions pourrait conduire à des réinterprétations fondamentales du système atmosphérique de Titan dans son ensemble, avec des conséquences pour les futures explorations in situ, notamment la mission Dragonfly de la NAS