L'étude comparative des atmosphères planétaires est une science jeune, pleine d'intérêt du fait de la diversité des situations observées Dans ce cadre, l'exploration de la planète Mars est actuellement un enjeu important. Ce travail de thèse concerne plus particulièrement la double modélisation de l'ionosphère martienne et de son rayonnement dans Ie domaine ultraviolet. Le modèle de l'ionosphère de Mars est basé sur un modèle ionosphérique terrestre couplé cinétiquejfluide. Sont notamment décrits les profils de production et de concentration des ions H+, 0+, at et cot et des électrons thermiques, et les températures des électrons. Le modèle reproduit convenablement les mesures du module Viking 1. Pour nous familiariser avec l'étude d'un rayonnement, nous avons développé un modèle d'émission de deux raies de l'oxygène atomique (558 et 630 nm), validé pour la Terre par des comparaisons avec des mesures d'un interféromètre embarqué. Fort de cette expérience, un modèle de l'émission lumineuse .des ions cot (288 nm) et de l'oxygène atomiaue (135 et 297 nm) dans l'atmosphère martienne est présenté. Les comparaisons avec les mesures des spectromètres des sondes Mariner 6 et 7 sont satisfaisantes.

La thèse porte sur des études expérimentales de réactions d’ions positifs et négatifs pour lesquelles on cherche à caractériser l’effet des différentes formes d’énergie : excitation des ions parents et/ou énergie de collision sur la réactivité. Deux buts sont poursuivis. Le premier, fondamental, est de comprendre la dynamique réactionnelle des systèmes étudiés. Le deuxième est plus appliqué. Il s’agit de fournir des données pour la modélisation de la chimie des milieux complexes (ionosphères, plasmas…). Les systèmes étudiés concernent la réactivité de cations excités CH₃⁺ avec des hydrocarbures saturés et insaturés (alc-ane, -ènes et -ynes en C1 à C4) pour sonder la réactivité sur des molécules de fonctionnalité et de tailles variées ainsi que la réactivité de l’anion C₃N⁻ avec l’acétylène C₂H₂. Ces systèmes sont d’intérêt pour l’étude de l’ionosphère de Titan. Nous avons étudié la réactivité de ces systèmes sur le dispositif CERISES en fonction de l’énergie de collision et de l’énergie interne des ions parents. Les anions C₃N⁻ sont produits par attachement dissociatif d’électrons sur le précurseur BrC₃N. Les cations CH₃⁺ peuvent être formés par deux méthodes. Au laboratoire, l’impact électronique conduit, sur le méthane CH₄, à la formation de CH₃⁺ peu excité, et sur le chlorométhane CH₃Cl, à la formation de CH₃⁺ plus excité. Cette observation a permis de préparer les expériences au synchrotron SOLEIL où on utilise la photoionisation des radicaux CH₃ produits par la pyrolyse du nitrométhane CH₃NO₂ pour former les ions CH₃⁺ et contrôler leur excitation. La variation de l’énergie de photon entre 9.8 et 15 eV a permis de faire varier la distribution d’énergie vibrationnelle ou électronique des ions CH₃⁺. Le développement d’un détecteur de photoélectrons adapté à la source de radicaux a permis la réalisation d’expériences TPEPICO (Threshold PhotoElectron PhotoIon Coincidence) où les ions sont extraits de la source en coïncidence avec des électrons de seuil permettant ainsi un contrôle complet de leur énergie. Nous avons observé que l’énergie interne de CH₃⁺ peut jouer un rôle important sur sa réactivité en ouvrant certaines voies de réaction comme la dissociation séquentielle de certains produits (réactions avec le méthane, le propène…) ou bien la voie de transfert de charge endothermique (réactions avec le méthane, l’éthène) que l’énergie de collision ne favorise pas efficacement. L’observation de l’évolution de la section efficace de formation des produits en fonction des deux types d’énergie nous a également permis de discuter les mécanismes de formation de certains produits, comme ceux passant par la décomposition d’un complexe ou par des transferts plus directs. On a pu montrer que la réaction de C₃N⁻ + C₂H₂ produisait des ions C₂H⁻, CN⁻ et C₅N⁻ en faibles quantités et seulement au-dessus de seuils en énergie de collision qui excluent leur formation dans des atmosphères très froides comme celle de Titan, sauf s’il existe des processus formant les anions C₃N⁻ avec de l’énergie. / This PhD project is focused on the experimental study of reactions of positive and negative ions for which we want to characterize the effect of different energies: internal energy of parents ions and/or collisional energy on the reactivity. There are two main goals. The first is to understand the reaction dynamics of the studied systems. The second one is to obtain data for modelisation of the chemistry in complex areas (ionosphere, plasmas...). Studied systems will concern the reactivity of excited cations CH₃⁺ with saturated and unsaturated hydrocarbons (alcane, alcene and alcyne from C1 to C4) as well as the reactivity of the C₃N⁻ anion with acetylene C₂H₂. Targets are chosen for theirs different chemical functions and interesting size for theoretical studies of Titan. We have studied the reactivity of these systems on the CERISES setup as a function of internal and collisional energies of the parent ions. C₃N⁻ anions are produced by dissociative electron attachment on BrC₃N. CH₃⁺ cations can be produced by two different methods. At the LCP, electronic impact on methane CH₄ produce CH₃⁺ cations with low internal energy whereas electronic impact on chloromethane CH₃Cl produce CH₃⁺ cations with more internal energy. This observation allowed us to prepare for the experiments at the SOLEIL synchrotron where CH₃⁺ cations are produced with controlled internal energy by photoionisation of CH₃ radicals produced in-situ by pyrolysis of nitromethane CH₃NO₂. Tuning of the photon energy between 9.8 and 15 eV allowed us to change the vibrational or electronic energy distribution of the CH₃⁺ cations. The development of a photoelectron detector fitted to the radical source enabled TPEPICO experiments (Threshold PhotoElectron PhotoIon Coincidence) where ions are extracted from the source in coincidence with threshold electrons which allow a total control of their energy.We saw that the internal energy of CH₃⁺ can have an important role on its reactivity by opening paths of reaction like sequential dissociation of products (seen in reactions with methane, propene…) or endothermic charge transfer (with methane and ethene) which is not efficiently enhanced by collisional energy. From the evolution of the absolute reaction cross section with the two different energies we discussed the mechanisms of formation of the observed products (decomposition of a complex or direct transfer). The reaction C₃N⁻ + C₂H₂ produce C₂H⁻, CN⁻ and C₅N⁻ anions in small quantities and only above collisional energy threshold which exclude their formation in cold atmosphere like Titan’s one unless there is processes leading to the production of C₃N⁻ with energy.

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.