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Journal Articles Icarus Year : 2020

Interaction dust – plasma in Titan's ionosphere: An experimental simulation of aerosols erosion

Interaction poussières - plasma dans l'ionosphère de Titan : Une simulation expérimentale de l'érosion des aérosols

(1, 2) , (3, 1) , (4) , (1) , (1) , (2)
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Thomas Gautier
Ludovic Vettier
  • Function : Author
  • PersonId : 968358
Olivier Guaitella

Abstract

Organic aerosols accumulated in Titan's orange haze start forming in its ionosphere. This upper part of the atmosphere is highly reactive and complex ion chemistry takes place at altitudes from 1200 to 900 km. The ionosphere is a nitrogen plasma with a few percent of methane and hydrogen. Carbon from methane enables the formation of macromolecules with long organic chains, finally leading to the organic aerosols. On the other hand, we suspect that hydrogen and the protonated ions have a different erosive effect on the aerosols.Here we experimentally studied the effect of hydrogen and protonated species on organic aerosols. Analogues of Titan's aerosols were formed in a radiofrequency capacitively coupled plasma (RF CCP) discharge in 95% N2 and 5% CH4. Thereafter, the aerosols were exposed to a DC plasma in 99% N2 and 1% H2. Samples were analysed by scanning electron microscopy and in situ infrared transmission spectroscopy. Two pellet techniques – KBr pressed pellets and thin metallic grids - were compared to confirm that modifications seen are not due to the material used to make the pellet.We observed that the spherical aerosols of ~500 nm in diameter were eroded under N2-H2 plasma exposure, with the formation of holes of ~10 nm at their surface. Aerosols were globally removed from the pellet by the plasma. IR spectra showed a faster disappearance of isonitriles and/or carbo-diimides compared to the global band of nitriles. The opposite effect was seen with β-unsaturated nitriles and/or cyanamides. Double bonds as CC and CN were more affected than amines and CH bonds. NH and CH absorption bands kept a similar ratio in intensity and their shape did not vary.Therefore, it seems that carbon and hydrogen play opposite roles in Titan's ionosphere: the carbon from methane leads to organic growth while hydrogen and protonated species erode the aerosols and react preferentially with unsaturated chemical functions.
Les aérosols organiques formant les brumes orangées entourant Titan commencent à se former dans l’ionosphère de cette lune de Saturne. Cette partie supérieure de l’atmosphère est hautement réactive, et une chimie ionique complexe se déroule entre 1200 et 900 km d’altitude. L’ionosphère de Titan peut ainsi être décrite comme un plasma d’azote, avec quelques pourcents de méthane et d’hydrogène. L’atome de carbone présent dans le méthane permet la formation de longues chaînes organiques dans le plasma, qui conduisent au final à la formation des aérosols organiques. En parallèle, nous pensons que l’hydrogène et les ions hydrogénés ont un effet plutôt érosif sur les aérosols. Dans cet article, nous étudions expérimentalement l’effet de l’hydrogène et des espèces hydrogénées sur les aérosols organiques. Des analogues d’aérosols de Titan sont préalablement formés dans une décharge plasma radiofréquence couplée capacitivement (RF CCP) dans un mélange gazeux formé à 95% de N2 et 5% de CH4. Ensuite, les aérosols sont exposés à un plasma DC dans 99% de N2 et 1% de H2. Les échantillons sont analysés par microscopie électronique à balayage et par spectroscopie de transmission infrarouge in situ. Deux techniques de formation de pastilles (des pastilles de KBr pressées et l’utilisation de fines grilles métalliques) sont comparées pour confirmer le fait que les modifications observées ne sont pas dues aux matériaux utilisés pour réaliser la pastille. Nous observons que les aérosols sphériques de ~500 nm de diamètre sont érodés lors de l’exposition à un plasma N2-H2, avec notamment la formation de structures creusées de ~10 nm à leur surface. Les aérosols sont globalement extraits des pastilles par le plasma. Les spectres IR révèlent une disparition plus rapide des isonitriles et/ou carbo-diimides par comparaison à la bande totale des nitriles. L’effet inverse est observé avec les nitriles β-insaturés et/ou cyanamides. Les liaisons doubles C=C et C=N sont plus affectées que les amines et liaisons C-H. Les bandes d’absorption de N-H et C-H gardent un rapport d’intensité constant et leur forme ne varie pas. On conclut que le carbone et l’hydrogène sont des éléments qui jouent des rôles opposés dans l’ionosphère de Titan : le carbone provenant du méthane conduit à la croissance organique alors que l’hydrogène et les espèces hydrogénées érodent les aérosols, en réagissant préférentiellement avec les fonctions chimiques insaturées.
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Dates and versions

insu-02506044 , version 1 (17-07-2020)

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Cite

Audrey Chatain, Nathalie Carrasco, N. Ruscassier, Thomas Gautier, Ludovic Vettier, et al.. Interaction dust – plasma in Titan's ionosphere: An experimental simulation of aerosols erosion. Icarus, 2020, 345, pp.113741. ⟨10.1016/j.icarus.2020.113741⟩. ⟨insu-02506044⟩
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