Aerosols-plasma interaction in Titan’s ionosphere

Interaction aérosols - plasma dans l'ionosphère de Titan

Audrey Chatain (1, 2)

1 PLANETO - LATMOS
2 LPP - Laboratoire de Physique des Plasmas

The climatic system of Saturn’s moon Titan is governed by the intense production of organic aerosols in its upper atmosphere. This phenomenon also certainly happened on Earth at the beginning of life. These two points strongly motivate research on the formation and evolution processes of the aerosols in the atmosphere of Titan. The aerosols form and stay several weeks in the ionosphere, between ~900-1200 km of altitude. This atmospheric layer is ionized by UV solar rays and energetic particles coming from Saturn’s magnetosphere, forming a plasma with very reactive species: radicals, excited species, ions and electrons. In such an environment, the main question I tackle is how the organic aerosols interact with the plasma species.The phenomenon is simulated in the laboratory with a plasma setup developed on purpose: analogues of Titan aerosols are exposed to a N2-H2 plasma discharge. Both an evolution of the solid and the gas phase are observed. H and N atoms chemically interact with the aerosols. Then, hydrogen cyanide (HCN) and other organic molecules are ejected in the gas phase by ion sputtering. These results highlight an important contribution of heterogeneous processes in Titan’s upper atmosphere.My re-analysis of the Cassini Langmuir probe data revealed the presence of an unexpected electron population in the ionosphere, below 1200 km and on the day-side, where heavy ions are also detected. These electrons could be emitted by the aerosols, after collision with a photon, and/or heating by the active ion chemistry.

Le système climatique de la lune de Saturne Titan est gouverné par la production intense d’aérosols organiques dans sa haute atmosphère. Ce phénomène s’est aussi certainement produit sur Terre au moment de l’apparition de la vie. Ces deux points motivent fortement les recherches sur les processus de formation et d’évolution des aérosols dans l’atmosphère de Titan. Les aérosols se forment et restent plusieurs semaines dans l’ionosphère, étendue d’environ 900 à 1200 km d’altitude. Cette région de l’atmosphère est ionisée par le rayonnement solaire UV et des particules énergétiques provenant de la magnétosphère de Saturne. Des espèces plasma très réactives sont ainsi présentes : des radicaux, des espèces excitées, des ions et des électrons. Dans un tel environnement, je me suis intéressée à l’interaction entre les aérosols organiques et le plasma.Ce phénomène est simulé en laboratoire avec une expérience développée à cet effet : des analogues des aérosols de Titan sont exposés à une décharge plasma en N2-H2. J’observe qu’à la fois les grains et la phase gaz évoluent. Les atomes H et N interagissent chimiquement avec les aérosols. Puis, du cyanure d’hydrogène (HCN) ainsi que d’autres molécules organiques sont éjectées en phase gaz par le bombardement ionique. Ces résultats mettent en évidence une contribution importante des processus hétérogènes dans l’ionosphère de Titan.Ma ré-analyse des données de la sonde de Langmuir de la mission Cassini a d’autre part révélé la présence d’une population d’électrons inattendue dans l’ionosphère, sous 1200 km d’altitude et côté jour, zone dans laquelle des ions lourds ont également été détectés. Ces électrons pourraient être émis par les aérosols, après collision avec un photon et/ou après chauffage par la chimie ionique très active dans cette région.

Mots clés: Titan; Experimental simulation; Dusty plasmas; Heterogeneous atmospheric chemistry; Ionospheres; Cassini mission

Mots clés: Titan; Simulation expérimentale; Plasmas poudreux; Chimie atmosphérique hétérogène; Ionosphères; Mission Cassini

Domaines: Astrophysique [astro-ph]

Audrey Chatain. Aerosols-plasma interaction in Titan’s ionosphere. Astrophysics [astro-ph]. Université Paris-Saclay, 2020. English. ⟨NNT : 2020UPASV022⟩. ⟨tel-02971735⟩