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La vapeur d’eau : transitions rovibrationnelles, base de données et continuum


Didier Mondelain
Alain CAMPARGUE
Samir KASSI


La connaissance du spectre d’absorption de la vapeur d’eau (70 % de l’effet de serre atmosphérique !) est à l’heure actuelle insuffisante pour rendre compte précisément de l’absorption de la lumière solaire par notre atmosphère et de son impact sur la mesure de certains composants atmosphériques minoritaires. Notre contribution participe à l’amélioration de la connaissance de l’absorption de la vapeur d’eau par la mesure de transitions faibles et du continuum (self continuum et foreign continuum). Elle s’inscrit dans un projet soutenu par l’INSU via le programme LEFE - Chimie Atmosphérique, projet et au sein du Laboratoire Intenational Associé (LIA) SAMIA avec les partenaires de l’IAO à Tomsk (Russie).

Transitions rovibrationnelles et base de données
La technique CW-CRDS nous a permis d’étudier de façon extensive (position, intensité et attribution) l’isotopologue principal de la vapeur d’eau, H216O, et cinq isotopologues minoritaires (Fig. 1), soit 38 300 transitions entre 5850 et 7920 cm-1. Ces transitions ont pu être attribuées en collaboration avec S. Mikhailenko[1] (Laboratory of Theoretical Spectroscopy, V.E. Zuev Institute of Atmospheric Optics, Tomsk, Russie) dans le cadre du LIA SAMIA. Par rapport aux données FTS existantes, un gain de détectivité de deux à trois ordres de grandeur a ainsi été obtenu, ce qui représente un apport déterminant pour la caractérisation des fenêtres de transparence atmosphérique (à 1.5 µm et 1.25 µm par exemple - Fig. 1). Les progrès ont été particulièrement marqués pour les isotopologues minoritaires, notamment HDO. Notre liste empirique très complète est maintenant incluse dans la dernière version de la base de données GEISA et a été retenue pour faire partie de la prochaine mise à jour de HITRAN.












Fig. 1. Comparaison de notre liste de raies avec la base de données HITRAN2012 pour les différents isotopologues.















Le continuum de la vapeur d’eau
La définition du continuum de la vapeur d’eau telle qu’illustrée en Fig.2 est quelque peu arbitraire : elle correspond à la différence entre l’absorption mesurée « vraie » et celle due aux raies locales du monomère calculée en utilisant, pour chacune des transitions, un profil de raie spécifique (généralement Voigt ) sur un intervalle Δσc de part et d’autre du centre de raie (généralement Δσc= 25 cm-1). La valeur du continuum ainsi obtenue est donc liée à la base de données des raies d’absorption utilisée et au choix de la modélisation du profil des raies du monomère.

Fig. 2. Mesure du continuum d'absorption de la vapeur d'eau par CRDS dans la fenêtre de transparence à 1.6 µm. Le self-continuum (en vert) correspond à l'augmentation du niveau de la ligne de base du spectre lors de l'injection de la vapeur d'eau dans la cellule CRDS. La ligne de base du spectre de la vapeur d'eau est obtenue après soustraction de la contribution des raies d'absorption du monomère simulée en rouge.
Fig. 2. Mesure du continuum d’absorption de la vapeur d’eau par CRDS dans la fenêtre de transparence à 1.6 µm. Le self-continuum (en vert) correspond à l’augmentation du niveau de la ligne de base du spectre lors de l’injection de la vapeur d’eau dans la cellule CRDS. La ligne de base du spectre de la vapeur d’eau est obtenue après soustraction de la contribution des raies d’absorption du monomère simulée en rouge.

Le continuum de la vapeur d’eau tient un rôle important dans le calcul du bilan énergétique de l’atmosphère terrestre. D’autre part, son étendue spectrale rend sa caractérisation nécessaire lors de la télédétection d’éléments géophysiques ayant des signatures optiques étendues comme les albédos de surface, les aérosols et les nuages.
Le continuum a une dépendance quadratique avec la densité et sa section efficace diminue lorsque la température augmente.
L’origine du continuum de la vapeur d’eau est sujette à débat depuis plusieurs décennies[2]. Plusieurs « phénomènes physiques » sont susceptibles de l’expliquer. Ce sont :
(i) l’absorption des ailes des raies permises du monomère (à plus de Δσc des centres de raies),
(ii) l’absorption des dimères stables ou métastables (H2O-H2O, H2O–N2, H2O-O2,...),
(iii) l’absorption induite par collision.
A cause de nombreuses difficultés expérimentales les mesures de la section efficace du continuum de la vapeur d’eau dans le proche infrarouge sont en nombre limité et fournissent des valeurs dispersées parfois en grand désaccord avec les résultats des modèles[3] (Fig. 2). Ces désaccords illustrent la nécessité de réaliser des mesures précises des sections efficaces du continuum de la vapeur d’eau dans ce domaine spectral.
Nous avons mesuré, pour la première fois par CRDS, la section efficace du « self-continuum » entre 5875 et 6665 cm-1[4]. Ces mesures ont été effectuées entre la température ambiante et 340 K ce qui a permis de déterminer également la dépendance en température de la section efficace pour les différents points spectraux étudiés. La très grande sensibilité et stabilité de notre spectromètre CRDS nous ont permis de déterminer cette section efficace avec une incertitude bien meilleure par rapport aux mesures antérieures. Comme le montre la Figure 2, nos mesures ne sont pas très éloignées des valeurs fournies par le modèle MT_CKD V2.5 mais sont en désaccord d’un facteur 80 (!!) avec les mesures par FTS obtenues très récemment2. L’origine du désaccord entre nos mesures CRDS et les mesures par FTS n’a pas encore été identifiée malgré de nombreuses investigations mais pourrait résulter du manque de sensibilité de cette dernière.












Fig. 2. Section efficace du « self-continuum » mesurée dans la fenêtre de transparence à 1.6 µm et prédite par le modèle MT_CKD V2.5. Les étoiles vertes représentent nos mesures par CRDS.


[1] :


[2] :


[3] :


[4] :



Nos publications sur le sujet :
H216O
H218O
D2O
HDO

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