Spectroscopie d'absorption laser à l'état de l'art de molécules d'intérêt atmosphérique et planétologique

par Magdalena Konefal

Projet de thèse en Physique appliquee

Sous la direction de Alain (phys) Campargue et de Samir (phys) Kassi.

Thèses en préparation à Grenoble Alpes en cotutelle avec l'Université Nicolaus Copernicus , dans le cadre de Physique , en partenariat avec Laboratoire Interdisciplinaire de Physique (laboratoire) et de LAME : Lasers, Milieux dilués et Environnement (equipe de recherche) depuis le 19-10-2016 .


  • Résumé

    Le projet de thèse vise à compléter les connaissances sur la spectroscopie d'absorption d'espèces d'intérêt atmosphérique comme la vapeur d'eau pour notre atmosphère, le dioxyde de carbone pour Vénus, le méthane pour Titan et les planètes géantes afin de fournir des données spectroscopiques de haute qualité pour le sondage ou la modélisation des atmosphères. En effet, en raison de l'augmentation des performances des spectromètres aéroportés et au sol, une précision accrue des paramètres spectroscopiques est maintenant requise par les agences spatiales comme l'ESA. Notre approche expérimentale basée sur le développement de techniques d'absorption laser ultra sensibles permet de répondre aux besoins en termes d'exactitude et de précision. De tels développements sont particulièrement exigeants car il est difficile de reproduire en laboratoire les conditions existantes dans les atmosphères planétaires en termes de longueur de trajet d'absorption (des dizaines de kilomètres ou plus), la pression et la température. Les deux laboratoires encadrant la co-tutelle disposent d'approches complémentaires utilisant le couplage de lasers et de cavité de très haute finesse. Les tâches planifiées comprennent: (A) à Grenoble: la mesure des spectres d'absorption de la vapeur d'eau et du dioxyde de carbone avec une sensibilité élevée grâce à un spectromètre Cavity Ring Down Spectroscopy (CRDS)nouvellement construit fonctionnant dans la fenêtre de transparence à 2,3 µm; (B) à Torun: la mesure des spectres moléculaire d'absorption et de dispersion à 1,5 µm en utilisant des techniques de type Cavity Enhanced Absorption Spectroscopy avec les deux axes du spectre référencés à l'étalon primaire de fréquence. L'étape suivante sera poursuivie à la fois à Grenoble et Torun, à savoir: (a) obtention des paramètres spectroscopiques (position, intensité et profil de raies rovibrationnelles, (b) analyse des effets de profil de raie d'absorption conduisant à un profil non-Voigt dans le cas de CO, CO2 et CH4 à 1,5 µm (Torun) et de H2O, CH4, CO à 2,35 µm (Grenoble) et (c) l'analyse de la dépendance en vitesse de l'élargissement et du déplacement collisionnels, qui doivent être correctement modélisés pour atteindre un niveau de précision sous-pour cent sur les intensités de raie. Le logiciel d'ajustement multi-spectral sera développé pour l'analyse des spectres d'absorption enregistrés à Torun et à Grenoble et des spectres dispersifs à Torun, en utilisant le modèle HTP qui a récemment été recommandé pour les futures bases de données spectroscopiques. Les performances du logiciel développé dans les deux laboratoires seront comparées, validées et améliorées sur les spectres de test enregistrés dans les deux laboratoires.

  • Titre traduit

    State-of-the-art laser spectroscopy of molecules of atmospheric and planetary interest


  • Résumé

    The PhD project is devoted to high sensitivity and high precision absorption spectroscopy of species of major atmpospheric interest such as water vapor for our atmosphere, carbon dioxide for Venus, methane for Titan, and the giant planets. Our goal is to fulfill needs for high quality spectroscopic data for probing or modeling the different atmospheres. Indeed, due to the increased performances of airborne and ground spectrometers, an increased accuracy of the spectroscopic parameters is now required by spatial agencies like ESA. Our approach uses state-of-the-art experimental developments based on lasers and high finesse cavities. Such developments are particularly demanding because it is difficult to reproduce in the laboratory conditions existing in the planetary atmospheres in terms of absorption path length (tens of kilometers or more), ranges of pressure and temperature. The planned tasks will include: (A) in Grenoble: the measurement of the absorption spectra of water vapor and carbon dioxide with a newly built high sensitivity Cavity Ring Down Spectroscopy spectrometer (CRDS) operating in the 2.3 µm window; while (B) in Torun: the measurement of absorption and dispersion molecular spectra at 1.5 µm using cavity-enhanced techniques with both axes of the spectrum referenced to the primary frequency standard. The next step of this project will be conducted both in Grenoble and Torun, namely: (a) retrieval of the spectroscopic parameters (center, intensity and profile of rovibrational lines), (b) analysis of spectral line-shape effects leading to non-Voigt profile in case of CO, CO2 and CH4 spectra at 1.5 µm (Torun) and H2O, CH4, CO at 2.35 µm (Grenoble) data, and (c) analysis of the speed-dependence of collisional broadening and shifting, and velocity-changing collisions occurring at atmospheric conditions that must be properly modeled to achieve a sub-percent level of accuracy in gas parameters determination. Finally, in Torun and Grenoble I will develop the algorithms for spectral data analysis. The software for global multi-spectrum fitting of line-shape model will be developed for absorptive (Torun and Grenoble) and dispersive (Torun) spectra analysis, using the HTP model that was recently recommended for future spectroscopic databases. The performances of the developed software in the two laboratories will be compared, validated and improved on test spectra recorded in Grenoble and Torun.