Le modèle de chimie 1D de Winick and Stewart ( 1980 )

Après que le dioxyde de soufre, SO2, ait été détecté depuis la Terre par Barker (1979), Conway et al. et par Esposito et al. (1979) grâce au spectromètre UV à bord de la sonde Pioneer Venus

Orbiter,Winick and Stewart(1980) sont les premiers à avoir montré l’importance du soufre pour ex-pliquer la faible quantité de O2dans l’atmosphère de Vénus et la production d’acide sulfurique H2SO4.

1/2( SO2+ hν −−→ SO + O ) 1/2( SO + SO −−→ SO2+ S )

1/2( S + O2−−→SO + O ) SO2+ O + M −−→ SO3+ M

SO3+ H2O −−→ H2SO4

BILAN : SO2+¹₂O2+ H2O −−→ H2SO4

(3.6)

Ce cycle est initié par la photodissociation de SO2 et pour former H2SO4 en consommant également de l’oxygène moléculaire O2. Le second cycle prend la photodissociation de SO pour départ et ne nécessite donc pas la reformation de SO2 :

1/2( SO + hν −−→ S + O ) 1/2( S + O2 −−→SO + O ) SO2+ O + M −−→ SO3+ M

SO3+ H2O −−→ H2SO4

BILAN : SO2+¹₂O2+ H2O −−→ H2SO4

(3.7)

Ce second cycle a le même bilan qu’en (3.6). Nous pouvons alors étudier l’efficacité de chacune des réations impliquées avec la figure3.3qui suit :

Figure 3.3 – Les vitesses de réaction des cycles catalytiques décrits dans Winick and Stewart (1980) sont celles utilisées par les auteurs. Excepté pour la photodissociation de SO2, calculé par le code de transfert de rayonnement de notre modèle chimique. Afin de tracer les taux de production, j’ai également utilisé la moyenne globale des concentrations de chaque espèce chimique que nous fournit notre modèle, le GCM 3D de Vénus.

La réaction SO + SO −−→ SO2 + S ralentit énormément le cycle (3.6), ce que le rend en-viron mille fois moins productif que le cycle (3.7), tandis que la réaction de formation du SO3, SO2 + O + M −−→ SO3 + M, est l’étape limitante du cycle (3.7). Consommer le O2 et le stocker dans une espèce à longue durée de vie, comme le H2SO4, condensable et faiblement photodissociable, revient également à abaisser l’abondance de O2 dans l’atmosphère vénusienne et donc d’augmenter le rapport CO/O2. Cette consommation nette de O2 se fait également Un autre cycle important est le suivant, qui transfère le soufre de SO2 vers H2SO4 sans consommer O2 :

SO2+ hν −−→ SO + O SO2+ O + M −−→ SO3+ M

SO3+ H2O −−→ H2SO4

BILAN : 2 SO2+ H2O −−→ H2SO4+ SO

(3.8)

Ce cycle montre la nature photochimique du nuage vénusien. Ce cycle, basé également sur la pho-todissociation de SO2, dont la réaction la plus lente est la formation de SO3, produit de l’acide sulfurique H2SO4 et du monoxide de soufre SO. Les cycles (3.6) et (3.7) sont équivalents à un puits permanent de SO2 vers l’espèce réservoir H2SO4 qui condense, forme les nuages de Vénus puis sédi-mente. Le nuage photochimique apparaît alors comme un moyen efficace de capter les espèces soufrées. H2SO4 est condensé et ce n’est qu’après sédimentation et évaporation des gouttelettes aux altitudes où la température est suffisamment élevée, ≈ 45 km, que la décomposition thermique de H2SO4,

H2SO4+ M −−→ H2O + SO3+ M, a lieu. Cette décomposition est suivie par celle du SO3 qui reforme de SO2 sous les nuages comme on l’a montré sur la figure 1.10.

Ces cycles ont donc un impact fondamental sur la chimie de SO2, lui-même étant une espèce chi-mique importante pour le transfert de rayonnement car le SO2 absorbe dans l’ultraviolet de 180 nm à 225 nm. Le modèle utilisé par Winick and Stewart (1980) est aussi la première modélisation des nuages de Vénus en considérant tout le H2SO4 produit comme étant condensé, ceci en ne changeant aucunement le profil de H2O qui demeure fixé à 1 ppmv. Il n’y a pas d’interaction à proprement parler entre la photochimie et la microphysique du nuage. La figure3.4présente alors les profils de dioxide de soufre SO2et d’acide sulfurique H2SO4en les comparant avec les mesures de la mission Pioneer Venus :

Figure 3.4 –Figure deWinick and Stewart(1980) présentant la comparaison entre les résultats du modèle 1D et les observations disponibles. Le H2SO4 représenté ici est sous forme condensée puisque le modèle suppose que tout le H2SO4

disponible se condense. Deux résultats sont affichés pour des rayons de gouttelette différents. Ayant un flux vertical de diffusion turbulente fixe, l’hypothèse avec le rayon le plus faible ( 1 µm ) correspond au flux de sédimentation le plus faible et donc à la plus haute teneur en H2SO4. Cela tend à éloigner H2SO4 des valeurs de Knollenberg and Hunten

(1980). SO2 se situe dans les gammes de valeurs observées parEsposito et al.(1979) etHoffman et al.(1980)

L’accord entre le profil calculé de SO2 et les mesures d’ Esposito et al. (1979) est encourageant même si le cycle de formation de H2SO4 et sa condensation/sédimentation ne sont modélisés que de façon rudimentaire. Le modèle de Winick and Stewart (1980) montre un des problèmes posés par le cycle du soufre vénusien. L’espèce principale qui contient le soufre est SO2. C’est sa conversion en H2SO4 qui fait chuter de deux ordres de grandeur la concentration de SO2 dans le nuage, lorsque l’on s’élève de 60 à 70 km (voir figure 3.4). Or, le modèle fixe une valeur de SO2 ≈ 4 ppmv à 58 km afin de reproduire le profil observé de SO2. Cette valeur est difficilement conciliable avec les valeurs

obser-vées par le spectromètre de masse de la sonde Pioneer Venus ou encore du chromotographe en phase gazeuse de la sonde Venera 12 et qui ont mesuré plus d’une centaine de ppmv de SO2 (Gelman et al., 1979;Oyama et al.,1980) vers 45 km. La décroissance totale du soufre, de plus d’une centaine de ppmv à 45 km à moins d’un ppmv au-dessus de 70 km ne peut donc pas être expliquée par les cycles (3.6) à (3.8) qui stockent le soufre dans H2SO4. Tout au plus, ces cycles expliquent une décroissance de 4 ppmv. Cette incapacité des modèles chimiques à décrire la décroissance du SO2 entre l’atmosphère profonde et l’atmosphère au-dessus des nuages est toujours d’actualité. Les auteurs remarquent éga-lement les écarts entre leurs résultats concernant O2, observé au maximum à 1 ppmv contre 100 ppmv modélisé, et CO, ≈ 50 ppmv mesuré contre 300 ppmv modélisé.

Comme tout modèle chimique, celui deWinick and Stewart(1980) est limité par la connaissance des coefficients de vitesse de réactions disponibles à l’époque. Par exemple, la dépendance en température d’une réaction telle que la formation de H2SO4 n’était pas connue. Ces imprécisions introduisent d’importantes erreurs. Néanmoins, c’est la première modélisation à s’intéresser au problème du cycle du soufre vénusien via la modélisation du nuage photochimique.