Mesures Spectroscopiques et Analyses

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 avions pendant de nombreuses années un spectromètre à Transformée de Fourier de type Connes construit au G.S.M.A., fonctionnant en mode pas à pas, permettant d'enregistrer le spectre lumineux entre 900 cm-1 et 9000 cm-1 avec une différence de marche maximale de 3 m (voir photos figurant dans la partie spectrométrie de la vapeur d’eau). Il a été démonté en 2016 nécessitant une actualisation électronique coûteuse, il était l’un des trois derniers spectromètres de type Connes encore en fonctionnement dans le monde.

Depuis, nous avons fait l’acquisition d’un spectromètre commercial Bruker 125 HR, ayant globalement des caractérisques similaires mais pouvant également fonctionner dans l’UV. (voir photo)

TF

Spectromètre TF 125HR couplé avec une cuve multi-passages de 2 m de base

Parallèlement, des cellules d'absorption à passage direct ou multi-passages (de type White) 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 de base permet d'atteindre des trajets optiques allant jusqu'à 2 km. Cette cellule long parcours est reliée depuis plusieurs années à notre spectromètre TF rendant cette installation instrumentale unique en Europe.

Les différentes études qui ont été menées jusqu'à présent par les chercheurs de l'équipe ont porté sur les molécules présentes dans l'atmosphère terrestre ou des atmosphères planétaires. Nous sommes également très impliqués dans la validation des bases de données internationales (Hitran https://hitran.org/ et Geisa http://cds-espri.ipsl.upmc.fr/etherTypo/index.php?id=950&L=1 )

Spectrométrie de la vapeur d’eau et applications aux études planétaires

A) Mesures d’intensité de raies :

De récents spectres de H2O enrichi en 18O ont été enregistrés à l’aide du spectromètre TF de Reims fonctionnant en mode « pas à pas » dans la région de 6400 à 9450 cm-1. Les parcours d’absorption vont jusqu’à 1,2 km. Cette étude menée avec notre collègue S. Mikhailenko de l’IAO de Tomsk est une étude de longue haleine qui fait suite à celle menée sur l’isotopologue principal Régalia, et al. JQSRT, 136 (2014) 119, pour proposer une nouvelle liste expérimentale de paramètres de raies dans la région définie ci-dessus.

B) Etude des profils :

Ces dernières années, nous nous sommes concentrés à travers différents projets, sur les mesures d’intensité de raies sur plusieurs régions spectrales et nous proposons maintenant de nous orienter vers la mesure des coefficients d’élargissement, autre paramètre de raie crucial pour définir parfaitement les profils de raie d’absorption des molécules. En effet, dans les bases de données principalement adaptées aux études atmosphériques terrestres, seuls les paramètres d’élargissement par l’air sont disponibles. Les plus proches planètes voisines de la Terre, Vénus et Mars, ont une atmosphère composée principalement de CO2 (95-96%). De récentes études de Vénus par l’instrument SOIR (Solar Occultation in the Infrared) à bord de Venus Express, ont montré la présence de composés gazeux minoritaires comme la vapeur d’eau (Vandaele et al, J. Geophys. Res., 113 (2008) E00B23).

Afin d’améliorer la restitution des informations satellitaires et de mesurer avec précision l’abondance de ces espèces mineures, il est indispensable d’avoir accès à des valeurs de coefficient d’élargissement par CO2 et ce notamment pour H2O. Nous avons donc enregistré au GSMA de nouveaux spectres de vapeur d’eau élargi par du CO2, cela a permis une étude des paramètres collisionnels de raies. Cette étude est réalisée en collaboration avec le BIRA-IASB (Institut royal d’Aéronomie spatiale de Belgique) afin de déterminer l’impact de nouveaux paramètres sur la restitution des données satellitaires et également avec le Dr H. Tran du LMD, apportant son expertise sur un nouveau profil de raie (Ngo et al. JQSRT, 129, (2013) 89).

Les bases de données spectroscopiques internationales sont elles aussi en attente de paramètres collisionnels adaptés à l’étude d’autres atmosphères que l’atmosphère terrestre. Ce projet s’inscrit donc dans une des problématiques actuelles en spectroscopie. De plus les études de planète comme Vénus devraient permettent également de répondre à des questions importantes que l’on se pose sur la Terre et son histoire, et peuvent servir à comprendre notamment des aspects climatiques de notre planète.

Les études (A) et (B) ont été réalisées à l’aide de notre installation expérimentale précédente avant l’acquisition du spectromètre Bruker 125HR (voir ci-dessus), à savoir à l’aide d’un spectromètre TF de type Connes construit au laboratoire fonctionnant en mode pas à pas : voir photos ci-desssous.

TF

C) ANR Wavil :

Nous sommes également responsables de la tâche 1 « spectroscopie » dans un projet ANR intitulé « WaVIL» (Lidar vapeur d'eau pour la mesure de l'isotope HDO dans la basse troposphère), dont le porteur est Cyrille Flamant (LATMOS). Ce projet consiste au développement d’un LIDAR à absorption différentielle compact, transportable pour mesurer la concentration de H2O/HDO, avec une grande résolution spatio-temporelle dans la basse troposphère. Notre implication porte sur la spectrométrie de la vapeur d’eau dans la région spectrale d’émission du LIDAR (autour de 1.98 µm). Les deux autres partenaires principaux de ce projet sont le LATMOS et l’ONERA. Les spectres sont enregistrés actuellement au laboratoire avec le spectromètre Bruker 125HR et plusieurs cellules d’absorption.