Mesure expérimentale du coefficient de diffusion dans des analogues de glaces interstellaires : mode opératoire

Sur la chambre est fixée une rampe à gaz, de débit contrôlé permettant d’insérer les gaz dans la chambre à la vitesse voulue.

La chambre est traversée par le faisceau d’un Spectromètre Vertex 70 couplé à un détecteur (pouvant être soit un DTGS soit un MCT refroidi à l’azote liquide), qui permet de mesurer le spectre infrarouge par transmission de Fourier de l’échantillon (FTIR-RAIRS Fourier Transform Reflection Absorption Infra-Red Spectroscopy). Les spectres enregistrés ont une résolution typique de 1 cm−1 et sont moyennés sur quelques dizaines d’interférogrammes.

Un spectromètre de masse quadrupolaire (modèle Hiden HAL VII RGA) permet égale-ment d’analyser la phase gazeuse.

3.1.2 Préparation de l’analogue de glace

De façon générale, les glaces sont formées par déposition des gaz à très basse tem-pérature (vapor deposition). CO₂dont nous étudions la diffusion et N H₃que nous déposerons pour les expériences de réactivité sont commercialement disponibles à une pureté de 99.9995% chez Linde et Air Liquide respectivement. La vapeur d’eau est obtenue à partir d’eau dé-ionisée, préalablement purifiée par plusieurs cycles de dégazage Freeze-Pump-Thaw sous un vide primaire.

CO2 et H2O, sont mélangés en phase gazeuse à température ambiante dans une rampe pompée par des techniques manométriques classiques. Les rapports de mé-lange réalisés sont de quelques pourcents en dioxyde de carbone. La phase gazeuse homogène est ensuite envoyée dans la chambre sur la surface d’or à incidence nor-male, à 80 K. La couche de glace mixte homogène a une composition H₂O: CO₂avec un large excès d’eau. Un schéma de la couche de glace obtenue est montré sur la figure 3.3 ci-dessous.

3.1.3 Morphologie des glaces créées

Les glaces sont déposées à 80 K pour pouvoir assurer une structure compacte et non-poreuse. L’absence de pores est nécessaire pour garantir des mesures de la diffusion en volume et non en surface.

Le caractère amorphe de la glace découle du mode de déposition. Toutefois, cette structure étant métastable, la glace va chercher à cristalliser en une glace hexago-nale. La cinétique d’une telle cristallisation est très dépendante de la température. Cependant, sur la durée de nos expériences, la cristallisation n’est observée qu’à partir

FIGURE3.3 – Schématisation de la couche de glace mixte formée par déposition de gaz à basse température

de 150 K (température à laquelle le temps caractéristique de cristallisation est de quelques dizaines de minutes [14][38]). En restant en dessous de cette température, nous sommes donc assurés d’avoir une glace amorphe.

L’autre phénomène qui contraint la gamme de température de nos expériences de diffusion est la désorption de la couche de glace. Cette désorption s’observe sur des durées caractéristiques courtes pour des températures supérieures à 140 K [106]. Pour ces raisons et afin de nous assurer de travailler sur des glaces amorphes compactes, seules les températures inférieures à 150 K seront considérées pour nos expériences de diffusion.

3.1.4 Suivi par spectroscopie infrarouge

La spectroscopie infra-rouge est une méthode de choix pour étudier la concentration des molécules dans des glaces.

Spectres

Un spectre infra-rouge caractéristique du mélange CO2: H2Oest donné sur la figure 3.4.

3.1. Mesure expérimentale du coefficient de diffusion dans des analogues de glaces interstellaires : mode opératoire

FIGURE3.4 – Spectre infrarouge d’une glace mixte de composition CO2: H2O

Sur ce spectre, on identifie le dioxyde de carbone grâce à son mode d’élongation asymétrique à 2341 cm−1et de force de bande de 1.4.10−17cm.molecule−1dans des glaces d’eau [107]. L’eau sera identifiée par sa très large bande à 3280 cm−1 corres-pondant au mode l’élongation de la liaison OH et de force de bande de 2.1.10−16

cm.molecule−1[108].

Concentrations

Les concentrations relatives de chaque molécule peuvent être calculées à partir de leurs densités de colonne avec la formule 3.1.

N =

Zτ_νd ˜ν

A (3.1)

où A est la force de bande en cm/molécule, τνest la profondeur optique, proportion-nelle à l’aire de l’absorbance.

Les rapports de concentration entre les espèces présentes dans la couche de glace sont calculés par les rapports idoines de densités de colonne. Il faut toutefois mentionner que l’incertitude de 30% sur les forces de bande se transmet à la densité de colonne. 73

Épaisseur de la couche de glace

L’épaisseur l de la couche de glace, en centimètres, peut être calculée à partir de la densité de colonne N en utilisant la formule 3.2 ci-dessous :

l = ^N.M

ρ.NA.^cos(18 o)

2 ^(3.2)

où NAest le nombre d’Avogadro, M est la masse moléculaire de la molécule considérée,

ρest la densité de la couche de glace. Dans notre cas, la densité sera de 0.94 g.cm−3

correspondant à la densité expérimentale de la glace amorphe basse densité.

Le facteur cos(18o) vient de l’angle d’incidence de 18o entre l’angle du rayon du spectrographe infrarouge et la normale à la couche de glace. Le facteur ¹₂vient natu-rellement du mode réflexion qui fait que le faisceau passe deux fois dans l’échantillon et mesure donc deux fois la densité de colonne.

Pour calculer une épaisseur de colonne totale, il s’agira de sommer les contributions de chaque espèce présente dans notre échantillon.

3.1.5 Protocole expérimental

Cette section présente le protocole que nous avons utilisé pour mesurer les coefficients de diffusion du dioxyde de carbone dans nos analogues de glaces interstellaires.

Expériences de cinétique isotherme

Le principe des expériences de cinétique isotherme repose sur l’étude de la variation de la concentration en dioxyde de carbone dans la glace H₂O: CO₂à une tempéra-ture fixée. Pour cela, juste après la déposition, le système est porté rapidement à la température désirée qui, une fois atteinte, détermine le temps zéro de nos expériences. Au cours de ces expériences, le CO2diffuse vers la surface de la glace et désorbe dès qu’il l’atteint. L’abondance du CO₂dans la glace permet ainsi de déterminer la part ayant diffusé vers la surface.

Il est important de préciser que la gamme de températures accessibles pour laquelle de telles mesures sont possibles, est relativement restreinte. En effet, l’hypothèse selon laquelle le dioxyde de carbone désorbe dès qu’il atteint la surface de la glace, n’est juste que si l’on dépasse sa température de désorption caractéristique. Toutefois, la température minimale de nos expériences est en réalité déterminée par leur durée