Etude de l'adsorption de composés organiques volatils oxygénés sur des surfaces de glace entre 193 et 223 k. : application à la chimie des nuages de la haute troposphère
Institution:
Université Louis Pasteur (Strasbourg) (1971-2008)Disciplines:
Directors:
Abstract EN:
The Upper Troposphere (UT) defines a region of the atmosphere characterised by its low temperatures and where cirrus clouds cover a substantial portion (~25 %) of the earth's surface. The atmospheric pollutants can be adsorbed on ice crystals in cirrus clouds and eventually react on ice surfaces. The goal of this thesis was to estimate both experimentally and theoretically the influence of ice particles in cirrus clouds on oxidation cycles of the organic volatile compounds in the Upper Troposphere. This study was within the framework of the European project cut-ice (chemistry of the Upper Troposphere : laboratory studies of heterogeneous process on ice). First, a vertical coated wall flow tube (CWFT) has been constructed, tested and validated to study the gas-ice interactions of atmospheric interest. Afterwards, the adsorption on ice surfaces of acetone, of 2,3-butanedione, of ethanol and of acetic acid has been studied between 193 and 223 k. Adsorption isotherms obtained in this experimental work permit us to obtain the monolayer capacity of the studied compound on ice surfaces and the corresponding enthalpy. To complete the experimental approach, the dynamics and the structure of ethanol molecules on the ice surface was investigated by molecular dynamics. Our theoretical results are in good agreement with those determined experimentally, notably with regard to the monolayer capacity and the energy of adsorption. This theoretical study also permitted to better understand the behaviour of ethanol molecule in the neighbourhood of the surface of the ice. Finally, this work allowed us to estimate the partitioning of those pollutants between gaseous and solid (particles of ice) phases at equilibrium in the clouds of the Upper Troposphere.
Abstract FR:
La haute troposphère est caractérisée par ses basses températures. Dans cette région, les cirrus, composes majoritairement de particules de glace, couvrent environ 25 % de la surface terrestre. La glace qui compose ces nuages peut agir sur la composition en phase gazeuse par adsorption de gaz a la surface de la glace. Le but de cette thèse était d'estimer expérimentalement et théoriquement l'importance de l'influence des particules de glace contenues dans les cirrus sur les cycles d'oxydation des composés organiques volatils oxygénés dans la haute troposphère. Ce travail s'est déroule dans le cadre du programme européen CUT-ICE (Chemistry of the Upper Troposphere : laboratory studies of heterogeneous process on ICE). Pour cela, un réacteur a écoulement adapte à l'étude des interactions atmosphériques hétérogènes entre la phase gazeuse et la glace, a été conçu, mis en place et valide au cours de ce travail. Par la suite, l'adsorption sur des surfaces de glace de l'acétone, de la 2,3-butanedione, de l'éthanol et de l'acide acétique a été étudiée entre 193 et 223 k. Les isothermes d'adsorption obtenues lors de cette étude expérimentale permettent d'obtenir la capacité monocouche du compose étudié sur la glace et les énergies associées aux phénomènes d'adsorption. Dans le cadre de ce travail, une étude théorique de la dynamique et de la structure de l'éthanol a la surface de la glace par dynamique moléculaire. Les résultats théoriques sont en bon accord ceux déterminés expérimentalement, notamment en ce qui concerne la capacité monocouche et l'énergie d'adsorption. Cette étude théorique nous a également permis d'étudier le comportement de la molécule d'éthanol au voisinage de la surface de la glace. L'ensemble de cette étude (expérimentale et théorique) a permis d'estimer la répartition de ces polluants entre phases gazeuse et solide (particules de glace) a l'équilibre dans les nuages de la haute troposphère.