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Un lien entre les plus vieux matériaux solides de notre système solaire et l'ozone atmosphérique ?

02-07-2010

C'est une question clé pour mieux comprendre l'origine de notre système solaire. La composition isotopique des solides les plus anciens de notre système solaire est-elle due à une filtration sélective de la lumière intense du soleil jeune ou à une réaction chimique ? Selon le processus retenu, les conclusions quant aux conditions de formation de la nébuleuse solaire primitive sont différentes, d’où l’importance de répondre à cette question.

Le lien étonnant entre les oxydes réfractaires dans quelques météorites, témoins uniques de la formation du système solaire il y a 4.5 milliards d'années, et l’ozone qui nous protège du rayonnement UV émis par le soleil, a été postulé à cause de la composition isotopique très spécifique qui se retrouve dans ces deux composants si différents. En effet, la quasi-totalité des matériaux terrestres montre des rapports isotopiques 17O/16O et 18O/16O (les isotopes lourds et stables de l'oxygène par rapport à l’isotope principal 16O) bien corrélés, alors que l'ozone et certains composants de météorites ne suivent pas cette corrélation stricte et presque universelle. Une origine commune de ces deux anomalies, notamment due au processus réactif d’addition d’un atome d’oxygène libre sur une molécule diatomique, semble donc plausible.


Afin de tester cette hypothèse, des chercheurs de l'EMPA (Laboratoire fédéral d'essai des matériaux et de recherche, Dübendorf, Suisse) en Suisse et du LPMAA (Laboratoire de Physique Moléculaire pour l’Atmosphère et l’Astrophysique, IPSL) ont récemment complété un travail, débuté à l'Institut Max Planck de Heidelberg (Allemagne). Ils ont étudié ce lien possible en regardant la variation de la composition isotopique de l’ozone formé dans les décharges électriques en fonction de la pression et de la température. Comme la réaction à trois corps dans la phase gazeuse – réaction classique de génération de l'ozone responsable de l'anomalie isotopique de cette molécule en ajoutant un atome d’oxygène à la molécule diatomique en présence d’autres molécules – est moins compétitive à basse pression que la réaction équivalente sur les parois, les chercheurs ont eu l’idée de diminuer la pression dans leur expérience. Ceci permet de s’approcher du processus d’oxydation probable dans la nébuleuse solaire. En effet, en raison des conditions de basse pression et haute température de la nébuleuse, l’oxydation par atome libre devrait se produire sur les surfaces des grains préexistants.

Composition isotopique de l’ozone en fonction de la pression pour des températures (T) et rayons (R) des réacteurs différents


Le point crucial de cette expérience était de bien distinguer le mécanisme de formation de l'ozone sur les surfaces du processus de formation classique. Cette analyse, complexe dû à la présence simultanée d’ions, de molécules et d’atomes excités, a été réalisée grâce à la confrontation d’un modèle cinétique avec les mesures expérimentales effectuées dans différentes conditions de pression et de température. Le résultat est frappant : l'anomalie isotopique de l’ozone ainsi formé disparait sur les parois. Cette observation est attribuée à un transfert d'énergie vibrationnel très efficace sur la surface.


Par conséquent, les réactions d’addition des atomes libres sur les surfaces ne semblent pas d’être susceptibles de générer des anomalies isotopiques, contrairement aux réactions en phase gazeuse, où la formation de l’ozone atmosphérique est l’exemple révélateur d’anomalie isotopique causée par une réaction chimique. En ce concerne les inclusions réfractaires dans les météorites, le résultat implique qu'une origine commune des anomalies dans l'ozone atmosphérique et dans les oxydes réfractaires est peu probable. L'origine de leur composition doit alors être cherchée ailleurs et la piste d’une photodissociation moléculaire variant avec l’isotope est plus prometteuse.


Références

Janssen, C., Tuzson, B. Isotope Evidence for Ozone Formation on Surfaces J. Chem. Phys. A2010, XX, DOI: 10.1021/jp1017899, Publication Date (Web):– Publié le 06 mai 2010.


Contact chercheur

C. Janssen, LPMAA, christof.janssen @ upmc.fr, Tél : 01 44 27 96 72

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