La production photochimique des composés aromatiques dans l’atmosphère de Titan

Titan, le plus grand satellite de Saturne, se distingue des autres satellites du Système solaire par son épaisse atmosphère. A la surface, la pression est 50% plus importante que celle de La Terre et chaque centimètre cube d’atmosphère contient 4,5 fois plus de molécules d’azote que La Terre. L’atmosphère de Titan est aussi 2,6 fois plus étendue.

L’atmosphère de Titan est composée essentiellement d’azote moléculaire N2 (95%) et de méthane CH4 (5%). Le rayonnement UV solaire et les électrons de la magnétosphère de Saturne dissocient et ionisent ces molécules depuis la haute atmosphère jusqu’à la basse stratosphère (c’est-à-dire entre 1500 et 200 km de la surface). En dessous, une couche d’aérosols (et de nuages), dont la nature est encore inconnue, protège les espèces chimiques des photons UV. Les nouvelles espèces chimiques créées à haute altitude vont alors réagir entre elles pour introduire une richesse chimique qui ne cesse de nous étonner. Nous avons à faire à une véritable machinerie moléculaire à l’échelle d’une planète !

En collaboration avec Jean-Christophe Loison et Kevin Hickson de l’ISM à l’Université de Bordeaux, nous avons entrepris, depuis plusieurs années, d’améliorer les modèles physico-chimiques de cette atmosphère. Dans l’une de nos dernières études, nous nous sommes intéressés à la production de molécules relativement complexes : les composés aromatiques. Des études précédentes avaient montré que la production de benzène (C6H6), qui est le composé aromatique le plus simple, était principalement due aux réactions induites par les ions. Nous avons amélioré ces modèles en étudiant les voies de production de nombreux autres composés aromatiques. Nous avons ainsi introduit dans notre modèle atmosphérique 28 composés aromatiques (14 neutres et 14 ionisés). Un schéma très simplifié de la chimie de ces composés est représenté sur la Figure 1.


Figure 1 : Schéma simplifié des principales voies de production chimique des composés aromatiques dans l’atmosphère de Titan. Les flèches en noir correspondent à la chimie des espèces neutres et les flèches en rouge à celle des espèces ionisées. L’épaisseur du trait est proportionnelle à l’importance du processus dans la production de l’espèce ciblée (plus exactement, c’est l’intégrale de la production sur l’ensemble de l’atmosphère). C6H6* et C6H6** sont des états excités qui incluent les isomères de C6H6. Les processus de photodissociation par le rayonnement UV sont représentés par des flèches bleues. La flèche verte représente la dissociation moléculaire de C6H6**. Les réactions à trois corps sont en pointillés. Les espèces radicalaires sont entourées d’un carré et les molécules sont entourées d’un ovale. Les espèces en gras sont celles qui ont été observées dans l’atmosphère de Titan.

Les résultats de notre modèle montrent que plusieurs composés aromatiques (sous la forme neutre ou ionisée) seraient relativement abondants dans l’atmosphère de Titan, tout comme l’est le benzène. Parmi eux, on trouve par exemple, le toluène (C6H5CH3) et l’éthyl-benzène (C6H5C2H5). Les abondances relatives de ces deux molécules sont présentées sur la Figure 2. Le benzène est l’une des molécules les plus complexes détectée à ce jour dans l’atmosphère de Titan. Nos résultats nous rendent optimistes sur la possibilité d’en détecter de plus complexes encore.

Figure 2 : Profils obtenus par notre modèle physico-chimique de l’abondance relative de deux des composés aromatiques principaux (le toluène C6H5CH3 et l’éthyl-benzène C6H5C2H5) en fonction de l’altitude. Ainsi, vers 1000 km d’altitude, il y a environ 1 molécule de toluène pour 1 million de molécules d’azote (N2). La structure chimique de ces deux molécules est donnée, montrant pour chacun le cycle aromatique caractéristique composé de 6 carbones. Les limites supérieures proviennent d’une interprétation du spectromètre de masse INMS de la sonde Cassini (Cui et al. 2009). Ces deux molécules n’ont pas encore été détectées dans l’atmosphère de Titan.

Les composés aromatiques intéressent particulièrement les astrochimistes et astrophysiciens car ils pourraient être les précurseurs des PAHs (hydrocarbures aromatiques polycycliques). Ces derniers seraient responsables de la production des poussières atmosphériques qui masquent la surface de Titan et l’enrichissement en molécules organiques.

Contact au LAB : Michel Dobrijévic
Contact à l’ISM : Jean-Christophe Loison et Kevin Hickson

Pour aller plus loin : J-C Loison, M. Dobrijevic and K. M. Hickson, The photochemical production of aromatics in the atmosphere of Titan, Icarus. 55–71. 2019.