Observation des premières étapes de la condensation de l’eau

Mieux comprendre la genèse des gouttelettes et des particules atmosphériques, mais aussi les mécanismes fondamentaux de l'effet de serre : voilà ce que permet une étude conduite par les chercheurs rennais de l'Institut de physique de Rennes, avec l'aide de collègues américains pour la partie théorique. Les scientifiques ont observé puis quantifié la cinétique de formation d’agrégats d’eau, et ils ont montré que l’étape critique de ce processus est l’association des deux premières molécules d’eau, formant un dimère. Cette première scientifique est publiée dans la revue Physical Review Letters.

Les petits agrégats d'eau, dimères (H2O)2, trimères, (H2O)3
  1. Enjeux et première scientifique
  2. Expériences à Rennes...
  3. ... et théorie aux États-Unis
  4. Perspectives astrophysiques
  5. Référence

Enjeux et première scientifique

La compréhension des processus de condensation (ou, plus précisément, de nucléation) est essentielle pour appréhender le passage de la phase gazeuse à la phase liquide ou solide. Le cas de l’eau trouve des applications dans de nombreux champs disciplinaires : physique, chimie, biologie, médecine… En particulier, dans le domaine de la physico‐chimie atmosphérique, l’eau participe activement à la formation de gouttelettes et de particules dans notre atmosphère, dont l’impact sur l’environnement et la santé est avéré. De plus, les agrégats d’eau de petites tailles et en particulier le dimère, (H2O)2, sont susceptibles d’affecter de manière significative le bilan radiatif terrestre et ainsi de participer à l’effet de serre.

Cependant, en dépit de l’intérêt évident porté par de nombreux scientifiques à la nucléation de la vapeur d’eau, on ne comptait jusqu’à présent aucune étude visant à caractériser précisément chacune des réactions élémentaires menant à la production des agrégats.

Expériences à Rennes...

Les chercheurs de l’Institut de Physique de Rennes, à l’origine de ces travaux, ont mis à profit leurs capacités à générer des écoulements de gaz très froids (quelques dizaines de kelvin typiquement) pour observer les toutes premières étapes de la nucléation de l’eau en phase gazeuse.Ils ont pu ainsi suivre la croissance d’agrégats d’eau à partir de monomères, H2O, s’associant par collisions pour former étape par étape dimères, trimères, … jusqu’à atteindre des édifices de plus de 40 molécules d’eau. Grâce aux très basses températures atteintes dans les écoulements générés, l’évaporation au cours de la formation des agrégats est négligeable, ce qui simplifie grandement la modélisation théorique du processus de croissance. En effet, ce dernier se fait alors essentiellement par addition successives de monomères d’eau.

... et théorie aux États-Unis

Pour quantifier la cinétique de formation des agrégats observés, les chercheurs rennais se sont associés à des théoriciens américains d’Argonne National Laboratory (Illinois) et de Sandia National Laboratories (Californie) qui ont estimé aussi précisément que possible les interactions entre deux monomères d’eau, puis entre les agrégats d’eau et les monomères, afin de déterminer pour la première fois les constantes de vitesse de formation des premières tailles d’agrégats d’eau.

La combinaison entre expérience et théorie a permis de montrer qu’une fois le dimère formé dans ces conditions, le processus de nucléation devient tellement efficace qu’à chaque nouvelle collision avec un monomère, l’agrégat poursuit sa croissance. C’est donc la cinétique de formation du dimère qui pilote le processus d’agrégation dans les premières étapes de la nucléation de l’eau.

Perspectives astrophysiques

Au‐delà des implications sur notre compréhension fondamentale de la formation de particules dans l’atmosphère terrestre, ces travaux pourraient permettre de modéliser la condensation de la vapeur d’eau dans les atmosphères froides des comètes et de certaines planètes, telles Mars ou Encélade, dans lesquelles elle a été détectée.

Crédit : J. Bourgalais et al.

Référence

Low Temperature Kinetics of the First Steps of Water Cluster Formation
J. Bourgalais, V. Roussel, M. Capron, A. Benidar, A. W. Jasper, S. J. Klippenstein, L. Biennier, and S. D. Le Picard
Phys. Rev. Lett. 116, 113401 – 17 March 2016