Mesures spectroscopiques et Analyses

Chercheurs

Permanents :

Maud Rotger - Professeur, Responsable de l'équipe
maud.rotger@univ-reims.fr
Alain Barbe - Professeur Emérite
alain.barbe@univ-reims.fr
Ludovic Daumont - Maître de conférences
ludovic.daumont@univ-reims.fr
Marie-Renée De Backer - Professeur
mr.debacker@univ-reims.fr
Laurence Régalia - Maître de conférences, HDR
laurence.regalia@univ-reims.fr
Ancien membre de l'équipe : Marie-Thérèse Bourgeois

Non permanents :

Abdulsamee Alkadrou - Doctorant (2013-2016)
abdulsamee.alkadrou@univ-reims.fr
Fadoua Hmida - Doctorante (2014-2017)
fadoua.hmida@etudiant.univ-reims.fr
Eugeniya Starikova - Post-doctorante
eugeniya.starikova@univ-reims.fr

Présentation de la partie Mesures spectroscopiques

Le thème de recherche principal est la caractérisation spectrale des molécules présentes dans l'atmosphère terrestre. La technique utilisée consiste à enregistrer le spectre d'absorption en phase gazeuse des différentes molécules (voir les exemples plus bas) en utilisant des spectromètres à très haute résolution. Pour mener à bien ces études, nous utilisons le spectromètre à Transformée de Fourier construit au G.S.M.A. permettant d'enregistrer le spectre lumineux entre 900 cm-1 et 9000 cm-1 avec une différence de marche maximale de 3 m.

TF

Parallèlement, des cellules d'absorption à passage directe et à réflexions multiples ont été construites de manière à pouvoir obtenir des trajets d'absorption pour les différents gaz étudiés allant de quelques cm à presque 2 km. En particulier, une cellule à réflexions multiples de 50 m de longueur permet d'atteindre des trajets optiques allant jusqu'à 1,8 km. Elle peut être utilisée avec des spectromètres mobiles comme cela a été souvent le cas (spectromètres commerciaux de type BRUKER 120M de l'Université Libre de Bruxelles et de l'Institut d'Aéronomie Spatiale de Belgique). Ces spectromètres mobiles pouvant enregistrer dans les domaines spectraux allant jusqu'à l'ultraviolet. La grande cellule a été plus recemment reliée au spectromètre du laboratoire par un trajet sous vide permettant d'éliminer l'absorption atmosphérique.

Les différentes études qui ont été menées jusqu'à présent par les chercheurs de l'équipe ont portées sur les molécules présentes dans l'atmosphère. Ces études ont été menées de manière systématiques ou alors au fonction des besoins d’une étude particulière concernant aussi bien un problème d’aéronomie qu’un besoin pour un développement théorique.

Les liens ci-dessous fournissent une description des différentes études menées par l'équipe qui sont par ailleurs détaillées dans les divers publications.

CH4 CO2 N2O H2COH2OC2H2


Présentation de la partie Analyses

Les analyses consistent, dans un premier temps, à attribuer les nombres quantiques de vibration et rotation correspondant aux états de départ et d’arrivée pour chacune des transitions observées dans les spectres . Cette étape est incontournable, pour deux raisons :
1. Pour la connaissance de la molécule, plus précisément les fonctions qui décrivent les énergies (fonction potentielle), les intensités (fonction moment dipolaire), ou la géométrie à l’équilibre.
2 A. Pour toutes les applications en aéronomie, où il est nécessaire de connaître les variations d’intensité des transitions observées par satellites, ballons, et autres plateformes aéroportées. Ces variations, dues aux différentes températures de l’atmosphère ne pourraient pas être connues.
2.B. L’ensemble des transitions donc utilisées pour leur identification et leur quantification et ce pour chacune des molécules est de plusieurs centaines de milliers. Il est « naturellement » impossible de toutes les enregistrer. L’étape de l’analyse consiste à réduire ces centaines de milliers d’observations en un nombre de paramètres restreints, ayant un sens physique, qui soient capables non seulement de reproduire ces observations avec une précision égale à la précision expérimentale, mais également de calculer toutes les transitions non observables en laboratoire, mais qui contribuent aux absorption atmosphériques.

Attributions

Analyse des spectres infrarouges : exemple d'attributions de transitions rovibrationnelles de l'ozone dans la région de 6100 cm-1 (1.6 micron). Spectres enregistrés par CRDS en collaboration avec le LSP - Grenoble.

Les transitions sont donc des différences d’énergie entre niveaux, tenant compte de règles de sélection. Les niveaux se calculent en résolvant les équations de Schroedinger HΨ=EΨ, où H est l’hamiltonien de vibration-rotation. Celui-ci s’écrit en fonction de paramètres, souvent effectifs et d’opérateurs représentant le moment angulaire. L’action de ces opérateurs étant connue en mécanique quantique, les niveaux d’énergie s’expriment finalement sous forme algébrique (molécules symétriques) en fonction des nombres quantiques et des paramètres précités, comme les constantes de rotation, par exemple. Pour les molécules dites asymétriques, les calculs nécessitent des diagonalisations numériques. Les attributions sont en général basées sur le fait que l’état de départ est connu. Comme plusieurs transitions aboutissent à un même niveau d’arrivée, les différences entre les valeurs observées et les valeurs calculées (obligatoirement fausses au départ) sont identiques. C’est le point de départ pour les éventuelles attributions. Ensuite, il est nécessaire de calculer les intensités. Là encore, le calcul est effectué en utilisant la mécanique quantique. Les calculs des transitions sont finalement comparés par spectres synthétiques aux observations.Ces attributions nécessitent beaucoup de temps, de rigueur, et sont souvent complexes.
A titre d’exemple, 40.000 transitions ont été attribuées pour la molécule d’ozone 16 O3.