Les sondes de permittivité sont des instruments de prospection géophysique non destructifs qui donnent accès aux propriétés électriques, aux basses fréquences (10 Hz-10 kHz), de la proche subsurface. Ce faisant, elles renseignent sur la composition, porosité, température et éventuelle hétérogénéité des premiers mètres sous la surface.Utilisant généralement 4 électrodes, le principe des sondes de permittivité est simple : il consiste à injecter un courant sinusoïdal de phase et d’amplitude connues entre deux électrodes (dipôle émetteur) et à mesurer l'impédance mutuelle (le rapport complexe entre la tension et le courant injecté) entre ce dipôle émetteur et un dipôle récepteur. La permittivité complexe du matériau de surface, à savoir sa constante diélectrique et sa conductivité électrique, sont alors déduites de la mesure de l’amplitude et de la phase de cette impédance mutuelle. Les fréquences d’opération des sondes de permittivités sont basses là où l’approximation quasi-statique s’applique. A ce jour, les propriétés électriques de seulement deux surfaces planétaires extraterrestres ont été étudiées par des sondes de permittivité : celle de Titan par l’instrument PWA-MIP/HASI/Huygens/Cassini-Huygens et celle du noyau de la comète 67P/Churyumov–Gerasimenko par SESAME-PP/Philae/Rosetta.Nous présentons la première analyse des données obtenues par SESAME-PP à la surface de la comète 67P/Churyumov–Gerasimenko. Grâce à un travail précis (1) de modélisation numérique de l’instrument et de son fonctionnement, (2) de campagne de mesures (en laboratoire et dans des grottes de glace) afin de valider la méthode d’analyse et (3) d’hypothèses réalistes sur l’environnement proche de la sonde, nous avons pu contraindre la composition et surtout la porosité des premiers mètres du noyau cométaire montrant qu’ils étaient plus compacts que son intérieur. Nous avons également travaillé à une nouvelle analyse des données obtenues en 2005 par PWA-MIP proposant notamment de nouveaux scénarios pour le changement brutal de propriétés électriques observé 11 min après l’atterrissage de Huygens. Ces nouveaux scénarios s’appuient, entre autres, sur les mesures de caractérisation électrique menées au LATMOS sur des échantillons de composés organiques (tholins), analogues possibles des matériaux recouvrant la surface de Titan. / Permittivity probes are non-destructive geophysical prospecting instruments that give access to the low frequency (10 Hz – 10 kHz) electrical properties of the close subsurface. This provides us with information on the composition, porosity, temperature, and heterogeneity of the first meters of the subsurface.Using 4 electrodes, the technique consists in injecting a sinusoidal current of known phase and amplitude between two electrodes (transmitting dipole) and measuring the mutual impedance (complex ratio of measured potential over injected current) between this dipole and a receiving dipole. The complex permittivity (i.e. dielectric constant and conductivity) of the subsurface material is derived from the measured phase and amplitude of the mutual impedance. The frequency range of operation of permittivity probes is low, therefore the quasi static approximation applies. To this day the electrical properties of only two extra-terrestrial surfaces have been studied by permittivity probes, the surface of Titan by the instrument PWA-MIP/HASI/Huygens/Cassini-Huygens and the surface of the nucleus of comet 67P/Churyumov–Gerasimenko by SESAME-PP/Philae/Rosetta.We present a first analysis of the data collected by SESAME-PP at the surface of the comet 67P/Churyumov–Gerasimenko. With the help of (1) precise numerical models of the instrument, (2) field measurements (in a controlled and natural environment) in order to validate the analysis method, and (3) realistic hypothesis on the close environment we were able to constrain the composition and porosity of the first meters of the comet’s nucleus, showing that the subsurface is more compact than its interior. We also reanalysed of the data collected in 2005 by PWA-MIP, offering new explanations for the abrupt change in the electrical properties observed 11 minutes after the landing of Huygens. These new scenarios were built in the light of lab measurements performed at LATMOS on samples of organic matter (tholins), possible analogue of Titan’s surface material.

Je présente ici mes travaux de thèseque j’ai réalisé ces trois dernières années au seindu Laboratoire ATMosphères et Observations Spa-tiales (LATMOS) de l’Université de Versailles St-Quentin-en-Yvelines (UVSQ) et du Jet PropulsionLaboratory (JPL), California Institute of Technol-ogy. Pendant ces 3 ans je me suis intéressé à la réac-tivité chimique des composés organiques en phasegaz et solide, en utilisant des expériences de labo-ratoire simulant les conditions de l’ionosphère et dela basse atmosphère de Titan, le plus gros satellitede Saturne. Titan est la seule lune du Système So-laire qui possède sa propre atmosphère. Cette atmo-sphère est principalement composée d’azote molécu-laire (N2). Le méthane (CH4) forme le gaz sec-ondaire. D’une part, j’ai analysé les composés neu-tres et les composés chargés (ions) présents dansdes mélanges gazeux simulant la haute atmosphèrede Titan. Ces composés sont considérés commeprécurseurs chimique à la brume organique observéeentourant Titan. C’est-à-dire qu’ils forment les pre-mières étapes d’une succession de réactions chim-iques de plus en plus élaborées formant plus bas dansl’atmosphère des particules solides complexes. Lanature de ces particules dans l’atmosphère de Titanreste encore à élucider complètement. Mon travailpendant cette thèse a été d’utiliser des expériencesde laboratoire pour investiguer la réactivité chim-ique en phase gaz (Chapitres 3 & 4), précurseurs àla formation d’aérosols, ainsi que le vieillissement deces composés plus bas dans l’atmosphère lorsqu’ilsforment les premiers condensats de nucléation à laformation de nuages (Chapitre 5). / Titan is the only moon in the SolarSystem to possess its own dense and gravitationallybound atmosphere, and is even larger than planetMercury. Its rocky diameter is a mere 117 km shy ofGanymede’s. If we were to scoop up a 1 cm3 sam-ple from Titan’s upper atmosphere, we would findtwo dominant molecules: molecular nitrogen N2 andmethane CH4. Should we look a bit more carefully,we would find many neutral molecules and positiveand negative ion compounds. These chemical speciesare the outcome of processes resulting from ener-getic radiation reaching Titan’s upper atmosphere,breaking apart the initial N2 and CH4. A cascadeof subsequent reactions will trigger the formationof new gas phase products more and more com-plex. Eventually, these products mainly contain-ing hydrogen, carbon and nitrogen will form largefractal aggregates composing the opaque haze en-shrouding the surface of Titan. This haze is whatgives Titan such a unique brownish hue. Most ofthe photochemically-produced volatiles will eventu-ally condense in the lower atmosphere, where theymay aggregate to form micrometer-sized icy parti-cles and clouds. During my PhD, I have focusedmy studies on (i) the gas phase reactivity of aerosolprecursors in experimental conditions analogous toTitan’s upper atmosphere (Chapters 3 & 4), and (ii)the end of life of some of the products as they con-dense in the lower and colder atmosphere (Chapter5). I used two experiments to address these respec-tive issues: the PAMPRE plasma reactor, located atLATMOS, UVSQ, Guyancourt, France, and the Ac-quabella chamber at the Jet Propulsion Laboratory,California Institute of Technology, Pasadena, USA.In this manuscript, I present my work on the neutraland positive ion reactivity in the PAMPRE plasmadischarge, as well as ice photochemistry results usinglaser irradiation in near-UV wavelengths.

L’étude du comportement des composantes des intérieurs planétaires dans des conditions extrêmes de pression (megabar) et température (milliers de Kelvin) est essentielle afin de construire des modèles fiables décrivant l’évolution et la structure des planètes. Dans ce travail, nous avons étudié plusieurs composantes par compression par choc laser sur les installations LULI2000 (France) et GEKKO XII (Japon).Nous avons employé des chocs décroissants pour étudier des conditions de haute-pression / haute-température. Afin d’accéder à des conditions de température modérée, nous avons utilisé des techniques de pre-compression statique (couplage compression par choc — cellules à enclumes de diamant) et dynamique (génération de doubles chocs).Nous avons étudié l’équation d’état des mélanges eau-ethanol-ammoniac et de l’eau et ammoniac purs, d’intérêt pour la description des intérieurs des planètes géantes de glace. L’étude de l’ammoniac a été particulièrement délicate en raison de sa forte réactivité et donc de la complexité du design des cibles ; nous présentons les premières données obtenues par choc laser, dans un domaine de pression jamais exploré. Les données des mélanges confirment des calculs ab initio récents basés sur une approximation de mélange linéaire.Nous avons également mesuré la réflectivité des mélanges liquides et de la silice, une composante-clé des intérieurs des planètes terrestres. Nous avons ensuite estimé la conductivité électrique — un paramètre crucial pour modéliser la génération des champs magnétiques planétaires dans les intérieurs via un mécanisme dynamo — de ces composantes.Eau, ammoniac et mélanges eau-ethanol-ammoniac affichent des réflectivités différentes, ce qui suggère que l’eau pure ne peut pas être considérée comme représentative des mélanges planétaires dans les modèles dynamo.Par ailleurs, nous avons apporté une confirmation expérimentale de calculs ab initio récents selon lesquels la conductivité de la silice n’est pas monotone le long d’une ligne isotherme pour des températures modérées.Nos données supportent des calculs qui prédisent qu’une dynamo peut avoir lieu dans les océans de magma dans des super-Terres ainsi que dans la jeune Terre. / Characterising the behaviour of planetary interiors’ components at extreme conditions (megabar pressures, temperatures of a few thousand Kelvin) is essential to build reliable models describing the evolution and structure of planets. In this thesis, we investigated various components on a wide set of conditions using laser-driven shock compression techniques at the LULI2000 (France) and GEKKO XII (Japan) facilities.Single decaying shocks were employed to study high-pressure / high-temperature states. To reach moderate-temperature conditions, closer to planetary interior profiles, we employed static and dynamic pre-compression techniques coupling Diamond Anvil Cells to shock compression and generating double shocks, respectively.We studied the equation of state of water-ethanol-ammonia mixtures and of pure liquid water and ammonia, of interest for icy giant structure models. Pure ammonia measurements have been particularly challenging due to cell design complexity in reason of its reactivity; we provide the first data obtained with laser shocks, in a pressure domain up to now unexplored. Mixtures data are in agreement with recent ab initio calculations based on the linear mixing approximation.We measured the optical reflectivity of liquid mixtures and silica, a key component of rocky planets’ interiors. From reflectivity data we estimated the electrical conductivity of such components — a crucial parameter for modelling the generation of planetary magnetic fields in the interiors via a dynamo mechanism.Water, ammonia, and water-ethanol-ammonia mixtures exhibit different reflectivity (hence conductivity) behaviours as a function of pressure and temperature. This suggests that pure water should not be used in dynamo models as representative of the icy mixtures.Moreover, we provide the first experimental confirmation of recent ab initio studies showing that the conductivity of silica along isothermal lines is not monotonic at moderate temperatures. Our data provide experimental support for the calculations predicting a dynamo action to occur in super-Earths’ and early Earth’s magma oceans.

La recherche de molécules organiques à la surface de Mars est l’un des enjeux majeurs pour caractériser son habitabilité passée et/ou présente. C’est l’un des objectifs de la mission spatiale Mars Science Laboratory (MSL) et en particulier de l’instrument Sample Analysis at Mars (SAM) à bord du robot Curiosity. Cette thèse s’inscrit dans l’aide au traitement et l’interprétation des données de SAM, en vue de détecter et d’effectuer l’inventaire des molécules organiques à la surface de Mars. Ces travaux portent en premier lieu sur les performances analytiques du chromatographe en phase gazeuse (CPG) de SAM et sur l’identification des molécules organiques dans les échantillons solides martiens analysés. A cette fin, j’ai étudié les performances de la chaine d’injection et de séparation du CPG de SAM dans les conditions opératoires de vol reproduites en laboratoire. J’ai également créé une base de données des temps de rétention de molécules présentes, et potentiellement présentes sur Mars, qui sert de référence pour le traitement des données de vol. Ces données ont permis d’identifier des molécules organiques dans les échantillons solides martiens et d’expliquer pourquoi certaines d’entre elles, supposées présentes, ne sont pas détectées. La deuxième partie de l’étude est focalisée sur l’impact des minéraux oxychlorés sur les molécules organiques, lors de la pyrolyse. Pour ce faire, j’ai développé une approche systématique d’étude de la pyrolyse de molécules organiques en présence de minéraux oxydants, ayant tous deux une forte probabilité de se trouver à la surface de Mars. J’ai ainsi pu étudier l’évolution et/ou destruction des molécules organiques, déterminer celles pouvant être à l’origine des composés chlorés détectés sur Mars, évaluer l’impact de la concentration en minéraux oxychlorés et celui du paramètre de température de pyrolyse. Les résultats indiquent que le nombre, la nature, et les abondances relatives des composés formés au cours de la pyrolyse, dépendent de la nature des phases minérales et organiques, de la concentration en minéraux oxychlorés et de la température de pyrolyse. / The search for organic molecules at the Mars’ surface is of primary interest to understand its past and/or present habitability. It is one among the main goals of the Mars Science Laboratory (MSL) space mission and especially of the Sample Analysis at Mars (SAM) experiment onboard the Curiosity rover. This thesis deals with the support to the SAM data treatment and interpretation, which aims to detect and inventory the organic molecules at the Mars’ surface. The first part of this work focuses on the analytical capabilities of the SAM gas chromatograph (GC) and the identification of the organics in the solid samples analysed on Mars with the flight model. To do so, I studied the analytical chain from injection to separation of the SAM GC in the flight operating conditions reproduced in the laboratory. I also created a library of retention times for molecules present or potentially present on Mars, and used as a reference library to treat the flight data. These data allowed to identify the organics in the martian solid samples, and to explain why a few molecules, expected to be present, are not detected. The second part of the thesis focuses on the impact of oxychlorine phases on the organics, during the pyrolysis process. With this aim, I developed a systematic approach to study the pyrolysis of organic molecules on the presence of oxidant minerals that have a high probability of presence at the Mars surface.The evolution and/or destruction of the organics was evaluated. We also looked for the organic and inorganic compounds that can be the precursors of the chlorohydrocarbons detected on Mars with SAM. Finally, we evaluated the influence of the oxychlorines concentration and of the pyrolysis temperature parameter. The results show that the number, the nature and the relative abundances of the compounds formed during the pyrolysis, depend on the nature of the organic and inorganic phases, of the concentration of the oxychlorines phases and of the pyrolysis temperature.