Contact : Virginie Zéninari

La spectrométrie peut notamment servir à la détection de molécules gazeuses en très faible quantité. Lorsqu'une couche de gaz est éclairée par une radiation lumineuse, une partie de celle-ci va être absorbée. L'intensité lumineuse transmise peut alors s'exprimer en fonction de l'intensité incidente selon la loi de Beer Lambert :
I = I0 exp [ - L N K]

où I est l'intensité mesurée au delà de la cuve, I0 l'intensité incidente de l'onde lumineuse, L la longueur de parcours, N le nombre de molécules et K le coefficient d'absorption. Ce dernier dépend du nombre d'onde. L'absorption de la lumière est donc proportionnelle à la longueur de parcours dans le gaz.

Cette technique est utilisée de deux façons différentes au sein de la thématique "Spectrométrie Laser et Applications". Premièrement, en laboratoire, on utilise des paramètres connus du gaz (Pression, température, concentration, longueur de parcours optique...) pour obtenir à très haute résolution les paramètres spectroscopiques de molécules d'intérêt atmosphériques publication. Deuxièmement, dans l'atmosphère, on utilise les paramètres spectroscopiques connus des gaz pour mesurer la concentration de chaque espèce. Ce deuxième volet consiste également en la réalisation de nouveaux instruments utilisant les derniers développements en matière de lasers de nouvelle génération.

Vapeur d'eau :

Les banques de données concernant les paramètres moléculaires nécessaires au dépouillement des spectres atmosphériques obtenus lors des vols de l'instrument SDLA développé par Georges DURRY étaient au début de ce travail, en 2002, incomplètes et peu précises. Une première étape a été réalisée pour la mesure en laboratoire des intensités des raies d’absorption de la vapeur d’eau à 1.4 µm. Ces études ont été complétées par la mesure des coefficients d’élargissement et les déplacements de ces raies de vapeur d’eau avec la pression des gaz atmosphériques. Les résultats expérimentaux ont été comparés avec des modèles de calculs développés sur le modèle de Robert et Bonamy par R.R. GAMACHE de l’Institut de Lowell – Massachussets – USA publication et des calculs basés sur le modèle Anderson-Tsao-Curnutte développés par l’équipe du Pr. Yu. N. PONOMAREV de Tomsk – Russie publication. Les résultats obtenus ont été utilisés pour la restitution du profil de la vapeur d’eau dans l’atmosphère lors de différents vols ballon. Les nouvelles données qui présentaient des différences par rapport aux bases de données traditionnelles ont permis d’obtenir un profil en concentration de la vapeur d’eau avec l’altitude présentant un meilleur accord avec le profil restitué par un hygromètre à point de rosée ayant volé la même semaine.

Dioxyde de carbone :

Nous avons également réalisé l’étude de ces mêmes paramètres moléculaires pour le dioxyde de carbone dans deux régions spectrales : 1.6 µm et 2 µm. La région de 1.6 µm est atteinte avec un laser du Service d’Aéronomie fourni par la société Anritsu publication et la région de 2 µm était atteinte avec deux lasers : un laser du Centre d’Electronique et de Microoptoélectronique de Montpellier (aujurd'hui IES) publication et un laser fourni par la société Nanoplus publication. La restitution du profil du CO₂ dans l’atmosphère faisait partie des objectifs du Service d’Aéronomie pour l’expérience µSDLA. Les paramètres mesurés à 1.6 µm ont été utilisés pour la restitution des profils de CO₂ dans l’atmosphère publication. Tous les paramètres obtenus ont également été comparés avec ceux obtenus avec le spectromètre à Transformation de Fourier du GSMA publication, démontrant d'une part le bon accord entre ces résultats et, d'autre part, les nombreuses erreurs existant au sein de la base de données référence HITRAN.
Ces résultats ont été complétés en collaboration avec le LMD de l'école polytechnique. En effet, une mesure à très haute résolution de paramètres spectroscopiques du dioxyde de carbone autour de 2 microns était nécessaire. Ces résultats ont été utilisés pour l'inversion des données du LIDAR du LMD. Une étude plus applofondie a également été menée sur les mesures en température des coefficients d'élargissements et de déplacement de quelques transitions (Voir publications 2009-2011).

Méthane :

Dans le cadre du projet franco-allemand MERLIN co-piloté par le LMD et financé par le CNES, nous avons réalisé l’étude de ces mêmes paramètres moléculaires pour le méthane dans la région de 1.6 µm.

Protoxyde d'azote :

Une autre expérience a été menée au laboratoire pour mesurer les paramètres spectroscopiques de certaines transitions de N₂O. Ces transitions sont intéressantes car ce sont celles utilisées lors du dépouillement des données du spectromètre SPIRALE développé par le LPCE d'Orléans. Cet instrument mesure dans l'atmosphère les concentrations de nombreux composés atmosphériques dont N₂O. Les paramètres spectroscopiques obtenus avec une grande précision permettront d'être confiants lors de l'obtention des résultats de cet instrument publication. Ce travail a fait l'objet d'une partie du travail de thèse de Agnès GROSSEL (2007).

Etude du dioxyde de carbone atmosphérique au niveau du sol

Les avancées des lasers permettent la réalisation d'instruments de plus en plus performants. Ainsi, le dioxyde de carbone peut maintenant être mesuré au niveau du sol sans utiliser de cuve à long parcours. Un laser de chez Nanoplus émettant à 2.7 µm est utilisé pour effectué la détection de CO₂. Le spectromètre a été testé sur le toit du laboratoire pour avoir la mesure en temps réel de la concentration de CO₂ pendant 24 heures d'affilée publication. Le spectromètre développé a ensuite participé à une campagne de mesures du CO₂ au niveau du sol et des comparaisons ont été effectuées avec un instrument Lidar du Laboratoire de Météorologie Dynamique et un instrument de type Condor publication. Les résultats obtenus sont en très bon accord et les différentes techniques permettent d'obtenir des informations complémentaires publication.

Etude des isotopes de la vapeur d'eau atmosphérique

La mesure des isotopes de la vapeur d’eau est de grande importance géophysique. Cette étude peut se faire principalement dans deux régions spectrales : 2.6 µm pour H₂¹⁷O, H₂¹⁸O et 6.7 µm pour HDO. Des précisions de l’ordre du pourcent sont nécessaires. Ceci nécessite des systèmes sensibles et des diodes lasers puissantes et de bonne qualité. Le laboratoire a travaillé à la sélection et au test des lasers nécessaires à ces mesures. La région de 2.6 µm peut être atteinte grâce à un laser fourni par la société Nanoplus. Ce type de laser est celui utilisé pour le développement de PicoSDLA. La région de 6.7 µm, bien adaptée à la détection de HDO, peut être atteinte grâce à un laser de type QCL fourni par Alpes Lasers. Ce laser a été étudié dans le cadre de la thèse de Lilian JOLY (2005) . Le test du laser a permis de faire une étude spectroscopique des principaux isotopes de la vapeur d’eau dans ce domaine publication et on a ensuite démontrer la possibilité de mesurer les rapports isotopiques de la vapeur d’eau dans l’atmosphère au niveau du sol publication. Ce type de mesure pourra dans le futur être développé soit dans le cadre de mesures systématiques au niveau du sol, par exemple en Antarctique.

Etude de la vapeur d'eau atmosphérique - Instrument PicoSDLA

Le laser présenté dans la partie précédente permet soit d'atteindre les isotopes de la vapeur d'eau avec le même instrument, soit de mesurer la vapeur d'eau avec un instrument plus petit. C'est cette dernière caractéristique qui a été utilisée. En collaboration avec l'équipe Aéronomie, nous avons développé un senseur de vapeur d'eau appelé PicoSDLA publication. Ce senseur de petite taille permet d'être lancé sous des ballons atmosphériques également de petite taille ce qui permet de multiplier plus facilement le nombre de vols ballons et donc d'obtenir plus de données. Les données recueillies par l'instrument à plusieurs endroits de la planète (Amérique, Afrique, Europe...) sont ensuite injectées dans des modèle de prévision du climat. L'instrument développé a participé a plusieurs campagnes de mesure en particulier dans le cadre du projet ANR TRO-pico porté par le GSMA.

Etude de l'atmosphère de Mars et étude de son satellite Phobos - Instrument TDLAS

Le travail réalisé a concerné la réalisation d’un senseur pour la détection du dioxyde de carbone, de la vapeur d’eau et de leurs isotopes dans l’atmosphère de Mars. Rappelons que l’atmosphère de Mars contient environ 95% de dioxyde de carbone et quelques traces de vapeur d’eau. La pression totale à la surface de la planète Mars est d’une dizaine de mbar. Les conditions de température, pression et concentration de vapeur d’eau sont sensiblement identiques à celles existants sur la planète Terre dans la basse stratosphère. L’instrument SDLA développé pour l’atmosphère terrestre a donc été à l’origine du développement de ce projet. Différentes lasers fournis par la société Nanoplus permettent d’atteindre : simultanément CO₂ et H₂O dans la région de 1.88 µm publication; les isotopes de CO₂ dans la région de 2.04 µm publication ; les isotopes de H₂O dans la région de 2.64 µm publication. Le travail a été réalisé dans le cadre du travail de thèse de Thibault LE BARBU (2006). L'instrument de base réalisé au laboratoire a été modifié dans le cadre de la mission PHOBOS-GRUNT. En particulier, pour cette mission spatiale, la possibilité de détecter l'acétylène a été ajoutée dans la cadre du post-doctorat de JingSong Li (Ref1, Ref2).

Etude du protoxyde d'azote issu des sols en collaboration avec l'INRA

L'équipe a développé un instrument transportable et autonome permettant une mesure in situ précise du protoxyde d’azote (N₂O) publication. Le N₂O est le troisième gaz le plus important par sa contribution à l’augmentation de l’effet de serre. Les sols agricoles sont une source importante de protoxyde d’azote et contribuent donc largement à l’augmentation de sa concentration atmosphérique et au forçage radiatif additionnel. Afin de mieux comprendre et de quantifier les processus d’émission du N₂O par les sols, nous avons développé des outils de détection de gaz très performants reposant sur la spectrométrie laser. Les mesures effectuées ont ensuite été etudiées en collaboration avec l'INRA de Reims et de Grignon. La version la plus récente de l'instrument développé est présentée dans cette référence. L'instrument est encore en évolution, intégrant maintenant la possibilité de mesure par Eddy-Correlation.

Etude du protoxyde d'azote issu des sols en collaboration avec l'INRA

L'équipe a développé un instrument transportable et autonome permettant une mesure in situ précise du protoxyde d’azote (N₂O) publication. Le N₂O est le troisième gaz le plus important par sa contribution à l’augmentation de l’effet de serre. Les sols agricoles sont une source importante de protoxyde d’azote et contribuent donc largement à l’augmentation de sa concentration atmosphérique et au forçage radiatif additionnel. Afin de mieux comprendre et de quantifier les processus d’émission du N₂O par les sols, nous avons développé des outils de détection de gaz très performants reposant sur la spectrométrie laser. Les mesures effectuées ont ensuite été etudiées en collaboration avec l'INRA de Reims et de Grignon. La version la plus récente de l'instrument développé est présentée dans cette référence. L'instrument est encore en évolution, intégrant maintenant la possibilité de mesure par Eddy-Correlation.