Signature infrarouge et modélisation pour la télédétection de deux gaz : SF6 et RuO4

Infrared signature and modeling for remote sensing of two gases : SF6 and RuO4

• Auteur / Autrice : Mbaye Faye
• Direction : Laurent Manceron, Pascale Roy
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie
• Date : Soutenance le 07/07/2017
• Etablissement(s) : Université Paris-Saclay (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences chimiques : molécules, matériaux, instrumentation et biosystèmes (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Synchrotron SOLEIL
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Université Paris-Sud (1970-2019)
• Jury : Président / Présidente : David Lauvergnat
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Laurent Manceron, Pascale Roy, David Lauvergnat, Robert Georges, Johannes Orphal, Vincent Boudon
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Robert Georges, Johannes Orphal

Mots clés

Mots clés contrôlés

Détecteurs de rayonnement infrarouge

Spectres de rotation-vibration

Circulation atmosphérique

Spectroscopie infrarouge proche

Mots clés libres

Spectroscopie de vibration-rotation de SF6

Gaz à effet de serre

Bande chaude

Formalisme tensoriel

Cellule à long parcours

Absorption infrarouge

Rotation-vibration spectroscopy of SF6

Greenhouse gas

Hot band

Infrared absorption

Tensorial formalism

Long path cell

Résumé

Ce travail est une contribution à l'étude spectroscopique de deux gaz d'origine anthropique pour lesquels la modélisation de la signature infrarouge pourra permettre une quantification dans rejets dans l'atmosphère. L'hexafluorure de soufre (SF₆) est principalement rejeté par l'industrie électrique, qui l'utilise comme isolant gazeux et sa concentration augmente rapidement dans l'atmosphère (de l'ordre de 7 % par an). C'est un gaz à effet de serre puissant listé dans le protocole de Kyoto car ses absorptions intenses vers 10 μm placées dans une fenêtre de transparence atmosphérique et sa durée de vie élevée dans la haute atmosphère(environ 3200 ans) lui confèrent un coefficient de transfert radiatif exceptionnellement élevé (Global Warming Potential, ou GWP égal à 23900 fois celui du dioxyde de carbone, CO₂). La détection et la quantification de ce gaz par sa signature infrarouge via des mesures par satellite nécessitent une très bonne modélisation des spectres d'absorption, incomplètement connus. SF6 est un molécule lourde qui présente un grand nombre de niveaux vibrationnels de basse énergie, donnant lieu à des bandes chaudes dans le domaine des absorptions atmosphériques autour de sa vibration fondamentale la plus intense et celles-ci impliquent des états excités peu ou pas caractérisés. Ainsi, à température ambiante, seules 32 %des molécules se trouvent dans l'état vibrationnel de base. Les bases de données actuelles ne contiennent que les données des bandes de vibration fondamentales. Pour pallier ce manque, il est donc nécessaire d'observer un certain nombre de transitions depuis l'état fondamental vers les niveaux excités de basse énergie servant d'état initial aux bandes chaudes et d'acquérir des données permettant de modéliser aussi les niveaux à deux quanta de vibration constituant les niveaux d'arrivée de ces bandes chaudes.Ce travail est une contribution à l'étude spectroscopique de deux gaz d'origine anthropique pour lesquels la modélisation de la signature infrarouge pourra permettre une quantification dans rejets dans l'atmosphère. L'hexafluorure de soufre (SF6) est principalement rejeté par l'industrie électrique, qui l'utilise comme isolant gazeux et sa concentration augmente rapidement dans l'atmosphère (de l'ordre de 7 % par an). C'est un gaz à effet de serre puissant listé dans le protocole de Kyoto car ses absorptions intenses vers 10 μm placées dans une fenêtre de transparence atmosphérique et sa durée de vie élevée dans la haute atmosphère(environ 3200 ans) lui confèrent un coefficient de transfert radiatif exceptionnellement élevé (Global Warming Potential, ou GWP égal à 23900 fois celui du dioxyde de carbone, CO₂). La détection et la quantification de ce gaz par sa signature infrarouge via des mesures par satellite nécessitent une très bonne modélisation des spectres d'absorption, incomplètement connus. SF₆ est un molécule lourde qui présente un grand nombre de niveaux vibrationnels de basse énergie, donnant lieu à des bandes chaudes dans le domaine des absorptions atmosphériques autour de sa vibration fondamentale la plus intense et celles-ci impliquent des états excités peu ou pas caractérisés. Ainsi, à température ambiante, seules 32 %des molécules se trouvent dans l'état vibrationnel de base. Les bases de données actuelles ne contiennent que les données des bandes de vibration fondamentales. Pour pallier ce manque, il est donc nécessaire d'observer un certain nombre de transitions depuis l'état fondamental vers les niveaux excités de basse énergie servant d'état initial aux bandes chaudes et d'acquérir des données permettant de modéliser aussi les niveaux à deux quanta de vibration constituant les niveaux d'arrivée de ces bandes chaudes.

This work is a contribution to the spectroscopic study of two gases of anthropogenic origin for which the modeling of the infrared signature may allow a quantification in releases in the atmosphere. Sulfur hexafluoride (SF₆) is mainly rejected by the electrical industry, which uses it as a gaseous insulator and its concentration increases rapidly in the atmosphere (of the order of 7 per cent per year). It is a potent greenhouse gas listed in the Kyoto Protocol because its intense absorption around 10 μm issituated in a window of atmospheric transparency and its lifetime in the upper atmosphere (approximately 3200 years) confers an exceptionally high radiative transfer coefficient (Global WarmingPotential, or GWP equal to 23900 times that of carbon dioxide,CO2). The detection and quantification of this gas by its infrared signature via satellite measurements requires a very accurate modeling of the absorption spectra, incompletely known. For SF₆,in particular because of the fact that this heavy molecule presents a large number of vibrational levels of low energy, there exist hotbands in the region of atmospheric absorption around its most intense fundamental absorption (v₃); these involve excited states little or not characterized. Thus, at ambient temperature, only 32% of the molecules are located in the vibrational ground state. Current databases contain only data for the fundamental vibrationband. To compensate for this lack, it is therefore necessary toobserve a number of transitions from the ground state to the excited levels of low energy used corresponding to initial states of the hot bands and to acquire data for modeling also levels with two quanta of vibration constituting the upper levels of arrival of thes ehot bands.This work is a contribution to the spectroscopic study of two gases of anthropogenic origin for which the modeling of the infrared signature may allow a quantification in releases in the atmosphere.Sulfur hexafluoride (SF₆) is mainly rejected by the electricalindustry, which uses it as a gaseous insulator and its concentration increases rapidly in the atmosphere (of the order of 7 per cent peryear). It is a potent greenhouse gas listed in the Kyoto Protocolbecause its intense absorption around 10 μm is situated in awindow of atmospheric transparency and its lifetime in the upper atmosphere (approximately 3200 years) confers an exceptionally high radiative transfer coefficient (Global Warming Potential, orGWP equal to 23900 times that of carbon dioxide, CO2). The detection and quantification of this gas by its infrared signature via satellite measurements requires a very accurate modeling of theabsorption spectra, incompletely known. For SF6, in particular because of the fact that this heavy molecule presents a largenumber of vibrational levels of low energy, there exist hot bands in the region of atmospheric absorption around its most intensefundamental absorption (v3); these involve excited states little or not characterized. Thus, at ambient temperature, only 32 % of themolecules are located in the vibrational ground state. Current databases contain only data for the fundamental vibration band. Tocompensate for this lack, it is therefore necessary to observe a number of transitions from the ground state to the excited levels oflow energy used corresponding to initial states of the hot bands andto acquire data for modeling also levels with two quanta ofvibration constituting the upper levels of arrival of these hot bands.