Étude de la chimie atmosphérique de l’iode avec des aérosols par simulations moléculaires

Abstract

Les océans, par le biais de l'activité des algues et du phytoplancton, sont la principale source d'iode, y compris de composés organiques tels que l'iodométhane (CH3I). Dans un passé récent, l'iode a joué un rôle essentiel dans les questions de santé, en raison d'événements historiques tels que la crise nucléaire de Fukushima ou les essais de bombes en plein air. L'iode, parmi d'autres halogènes, participe également à la destruction catalytique de l'ozone. Les détails des interactions entre les composés iodés et les aérosols dans la troposphère restent encore peu connus. En particulier, la modification de la spéciation chimique ou les effets des molécules/aérosols environnants sur la chimie de l'iode ont des conséquences sur sa réactivité. Par conséquent, la connaissance de la chimie atmosphérique de l'iode est essentielle pour mieux comprendre les phénomènes atmosphériques généraux. Dans ce contexte, cette thèse vise à améliorer l'état des connaissances sur la chimie atmosphérique de l'iode par le biais de simulations théoriques, en se concentrant sur les interactions/réactions chimiques entre l'iodométhane (CH3I) et son environnement.Dans une première partie, l'adsorption de l'iodométhane gazeux (CH3I) sur des aérosols modèles de sel marin (NaCl) à différentes humidités est étudiée. Nous avons effectué des calculs périodiques de théorie fonctionnelle de la densité (DFT) ainsi que des calculs classiques de dynamique moléculaire (MD) pour étudier l'influence de la couverture d'eau. À cette fin, nous avons paramétré un champ de force flexible non polarisable pour l'iodométhane. Ce champ de force montre de bonnes performances dans la description des interactions avec l'eau et les surfaces de sel marin. Les simulations montrent que la présence d'eau tend à stabiliser CH3I à la surface du sel.La durée de vie du CH3I dans l'atmosphère (en phase gazeuse ou adsorbé sur des aérosols) peut également être modifiée par sa réaction avec des radicaux en phase gazeuse. La réaction de CH3I avec OH est donc étudiée à la fois en phase gazeuse et en présence d'eau au moyen de calculs de mécanique quantique. La présence d'une molécule d'eau supplémentaire favorise l'abstraction d'hydrogène par le radical OH dans les conditions atmosphériques. En d'autres termes, H2O joue le rôle de catalyseur dans cette réaction chimique atmosphérique.Enfin, en collaboration avec le laboratoire "Physics of the Interactions of Ions and Molecules (PIIM)", nous avons étudié l'adsorption de l'iodure de méthyle sur des surfaces d'eau solide amorphe (ASW). En accord avec des études antérieures, nous avons mis en évidence l'importance de l'échantillonnage de configuration dans le cas d'interfaces amorphes. En utilisant des calculs classiques de MD et de structure électronique, nous avons calculé des spectres théoriques pour les surfaces ASW avec et sans CH3I adsorbé, qui peuvent être directement comparés aux spectres expérimentaux. L'adsorption de CH3I induit un décalage d'environ 20 cm-1 du mode d'étirement des OH pendants de la surface.Cette thèse combine plusieurs méthodes théoriques pour étudier la réactivité et la capture de molécules par des surfaces d'intérêt atmosphérique. Les approches suivies dans ces travaux peuvent être étendues à d'autres systèmes dans le but d'interpréter des spectres ou mieux comprendre des données expérimentales.