Chapitre 3 : Les résultats des simulations TransVenus
3.3 Le problème de la raie verte nocturne : incertitudes sur les processus
3.3.1 Le processus de Barth
Principe
L’observation de la raie verte nocturne sur Terre a montré que celle-ci n’était pas uniquement thermosphérique, mais qu’une partie mésosphérique était à prendre en compte. Chapman [25] a proposé qu’un processus de recombinaison de trois O soit la principale source de l’état excité O(1S) (et donc de la raie verte) dans la mésosphère.
Barth and Hildebrandt [9] ont amélioré et généralisé le principe. C’est le processus de Barth, qui se décompose en deux étapes impliquant l’atome d’oxygène :
O(3P ) + O(3P ) + M → O∗2+ M constante de réaction : kbarth (3.4) O∗
2+ O(3P ) → O(1S) + O2 constante de réaction : k1S−O∗
2−O (3.5) kbarth est la constante de réaction du processus à trois corps, faisant intervenir une sorte de catalyseur M (qui est O2 ou N2 dans le cas terrestre), qui récupère l’énergie cinétique en trop : c’est un stabilisateur du complexe de réaction. k1S−O∗
2−O est la constante pour la réaction de production de O(1S) à partir de l’état excité de l’oxygène O∗
2. Ce processus est facilement généralisable aux planètes comportant une atmosphère ayant de l’oxygène. Il suffit de changer M en CO2 dans le cas de Vénus3. Le problème principal est la réaction entre cette atmosphère et l’état O∗
2. L’équation de la concentration en O(1S)
Pour modéliser les émissions dues au processus de Barth, il faut étudier la concen-tration en O(1S). On note kE−G la constante de réaction d’une espèce E avec une espèce G. Par exemple kO∗
2−O2 représente l’atténuation de O∗
2 par O2. A représente le coefficient d’Einstein pour l’émission. Nous avons donc les équations suivantes :
[O∗2] = kBarth[O] 2[M ] AO∗ 2 + kO∗ 2−O2[O2] + kO∗ 2−N2[N2] + kO∗ 2−O[O] (3.6) O(1S) = k1S−O ∗ 2−O[O∗2][O] AO1S+ kO1S−O2[O2] + kO1S−N2[N2] (3.7) Ce qui donne pour la concentration en O(1S) :
O(1S) = k1S−O
∗
2−OkBarth[O]3[M ]
(AO1S + kO1S−O2[O2] + kO1S−N2[N2]) (3.8) ∗ 1 AO∗ 2 + kO∗ 2−O2[O2] + kO∗ 2−N2[N2] + kO∗ 2−O[O] Ce qui peut être mis sous la forme suivante :
3
La constante de réaction pourrait être modifiée. Le problème étant que cette constante est adaptée par rapport aux d’observations : nous verrons que cette modification est en pratique cachée dans les paramètres «C′».
O(1S) = kBarth[O] 3[M ] (AO1S+ kO1S−O2[O2] + kO1S−N2[N2]) | {z } Termes d’atténuation de O(1S) (3.9) ∗ AO∗ 1 2 k1S−O∗ 2−O + kO ∗ 2−O2 k1S−O∗ 2−O [O2] + kO ∗ 2−N2 k1S−O∗ 2−O [N2] + kO ∗ 2−O k1S−O∗ 2−O [O] | {z } Termes d’atténuation de O∗ 2
Il est important de noter que des fractions apparaissent dans les termes d’at-ténuation de O∗
2. Le problème, c’est que la nature de O∗
2 étant incertaine, aucune des constantes composant ces fractions ainsi qu’aucun résultat de ces fractions ne sont connus. Dans le cas terrestre, ces fractions ont été obtenues par un ajustement fait sur les observations (en altitude) de la raie verte. De nombreuses valeurs ont été publiées [103, 111]. Pour appliquer 3.9 à Vénus, il faut prendre en compte les atténuations par CO2.
Les implications du processus de Barth terrestre
Différents travaux sont basés sur le processus de Barth dans le cas de la Terre. Pour faire de bonnes analyses de cette réaction, la difficulté est d’avoir une idée de la concentration mésosphérique en oxygène atomique, ainsi que l’émission volumique de raie verte.
Les données pratiques obtenues par McDade et al. [103], Murtagh et al. [111] re-viennent à négliger l’émission radiative et l’atténuation de O∗
2 par N2 en comparaison à l’atténuation par O donnant du O(1S). C’est probablement parce que l’oxygène est une molécule à couches ouvertes, comme le CO2, avec beaucoup de niveaux énergé-tiques, ce qui n’est pas le cas de N2. L’équation simplifiée est :
O(1S) = kBarth[O]
3
([N2] + [O2])
(AO1S+ kO1S−O2[O2]) (C′O2[O2] + C′O[O]) (3.10) Le facteur C′O = kO2∗−O
k1S−O∗
2−O
est, chez ces auteurs, égal à 211. Physiquement, ce rapport représente l’efficacité de la réaction O∗
2+O → O2+O comparée à la création de O(1S) par l’atténuation de O∗
2. Le facteur C′O2 = kkO∗2−O2
1S−O∗2−O a été estimé à 15 à partir des observations. Si nous considérons que ces valeurs sont représentatives des efficacités
de réaction, nous pouvons donner les efficacités relatives de l’atténuation de O∗ 2 : C′O2 C′O = kO ∗ 2−O2 kO∗ 2−O = 7.1−2 (3.11) Le problème du précurseur O∗ 2
Sur Terre, nous négligeons l’atténuation de O∗
2 par N2 face à l’atténuation par O2. Mais sur Vénus, nous ne pouvons pas négliger l’atténuation par le CO2 de la même manière. En effet, CO2 et N2 sont des espèces très différentes. Par exemple, O2(b1Σ+
g) est atténué par N2avec une constante de réaction égale à 2.2×10−15cm3s−1
[100] alors que la constante d’atténuation par le CO2 est 200 fois plus grande ((4.4 ± 0.2) 10−13 cm3s−1 [60]).
Le problème est donc de savoir quel est l’état excité O∗
2 à l’origine de la raie verte. Et ainsi de faire des expériences de manière à avoir ses coefficients de réaction avec le CO2. Nous pouvons faire quelques hypothèses sur cet état excité : il doit être métastable, sinon, il ne pourrait pas réagir avec l’oxygène pour faire des états O(1S) ; il doit avoir une énergie supérieure à 4.16 eV. Ce qui nous donne quelques états excités possibles :
– O2(A3Σ+
u) : durée de vie 0.16 s, énergie 4.34 eV. Cet état émet la bande Herzberg I.
– O2(A′3∆u) : durée de vie 1 s , énergie 4.26 eV. Cet état émet les bandes Herzberg III et Chamberlain.
– O2(c1Σ−
u, ν ≥ 2) : durée de vie 3.7 s , énergie > 4.16 eV (4.05 eV pour l’état fondamental), cet état émet la bande Herzberg II.
Slanger et al. [134] ont supposé que le précurseur de Barth est O2(c1Σ−
u, ν ≥ 2), comme cet état n’a pas été pour l’instant observé dans l’atmosphère de Vénus, ces auteurs ont conclu que ce processus n’est pas efficace pour Vénus et ont proposé un autre mécanisme (voir 3.3.1).
Pour Steadman and Thrush [137], le précurseur est O2(A3Σ+
u, ν = 6, 7), et ainsi, la désexcitation radiative émet Herzberg I. Parisot [117] a observé que cette émission était trois fois plus importante sur la Terre que sur Vénus, mais il n’a pas pris en compte l’aspect vibratoire de ces émissions. Si cette émission est caractéristique de la concentration des états créés, il en résulte que les émissions de raie verte par le processus de Barth devraient être trois fois moins importantes sur Vénus que sur Terre. Or les observations de Slanger et al. [134] montrent des intensités similaires pour les deux planètes. Dans cette hypothèse, soit la concentration et la création des états vibrationnels ν = 6, 7 ne sont pas correctement caractérisées par ces émissions,
soit un nouveau mécanisme de création de la raie verte est nécessaire. (Rappelons que Slanger n’observe que l’intégration des émissions le long de sa ligne de visée ; la différence d’émission entre la Terre et Vénus se faisant par le décalage Doppler). Le mécanisme de Slanger
Parce qu’ils considéraient le processus de Barth peu probable, Slanger et al. [134] proposent un autre mécanisme mésosphérique :
O2(c1Σ−u, ν = 0) + CO → CO2+ O(1D,1S) (3.12) De la même manière que le processus de Barth, l’état excité O∗
2 réagit avec une espèce neutre présente. La différence, c’est que ce neutre n’est plus un catalyseur, il est modifié, et cette réaction participe à la re-formation de CO2 dans la mésosphère de Vénus. L’avantage de cette réaction est que les constituants sont connus. Il faut donc faire des mesures de laboratoire.
On peut dire que c’est un mécanisme de type Barth, dans le sens qu’expliquer les variations de la raie verte par ce processus revient à expliquer les variations par le processus de Barth.