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Afin de mieux comprendre la formation, la composition ou encore, l’évolution de l’atmosphère des planètes telluriques, des scientifiques du Laboratoire interdisciplinaire de physique à Grenoble, ont développé des spectromètres utilisant la spectroscopie à cavité optique (CRDS). Leur très grande sensibilité permet d’enregistrer avec exactitude les spectres d’absorption de différentes molécules d’intérêt atmosphérique et planétologique comme le dihydrogène, l'eau ou le méthane, mélangées à du dioxyde de carbone.
Ces mesures doivent permettre de tester, valider et ajuster empiriquement les calculs théoriques. C’est également une opportunité exceptionnelle d’effectuer une comparaison entre la théorie et l’expérience, une partie des mesures étant faites en support à la mission satellitaire Microcarb du CNRS, visant à cartographier les sources et les puits de CO2 à l’échelle planétaire.
© Christian Morel / LIPhy / CNRS Images
Ce système métrologique permet de déterminer avec exactitude l’axe absolu des fréquences des spectres enregistrés par technique CRDS. Il mélange une partie de la source laser dont on veut connaître la fréquence absolue, avec l’émission du peigne de fréquence. Le peigne est un système laser qui émet environ un million de raies très fines dans le domaine de l’infrarouge proche, parfaitement équidistantes spectralement. Il est activement stabilisé en le comparant à une radiofréquence de référence provenant d’une horloge atomique au rubidium, elle-même asservie en phase sur un module de réception GPS pour éliminer les dérives à long terme. Cet instrument permet d’ajuster un signal à haute fréquence vers une fréquence plus faible, plus facile à étudier.
© Christian Morel / LIPhy / CNRS Images
La technique CRDS nécessite une cavité optique de haute finesse, qui est régulée en température, couplée à une source de laser. Des spectres d’absorption de la molécule de dioxygène (O2) sont ici enregistrés à différentes températures et pressions afin de déterminer les paramètres spectroscopiques des différentes raies d’absorption de cette molécule.
© Christian Morel / LIPhy / CNRS Images
Les mesures effectuées sur la molécule de dioxygène (O2) sont réalisées dans le cadre de la mission satellitaire MicroCarb du CNES, pour calculer notamment la quantité totale observée de gaz à effet de serre dans la colonne d'air sondée et la comparer avec les mesures in situ par ballon ou avion. Les paramètres ainsi mesurés vont permettre de connaître avec exactitude la colonne d’O2 sondée et donc la colonne d’air sec (qui contient 20.95 % d’O2).
© Christian Morel / LIPhy / CNRS Images
Des spectres d’absorption de la molécule d’hydrogène (H2) sont ici enregistrés à différentes pressions afin de déterminer les fréquences absolues des transitions. La molécule d’H2 existe sous différentes espèces chimiques (isotopes) différant entre elles par leur nombre de neutrons : HD et D2. Toutes composent des systèmes molécules neutres les plus simples, permettant des calculs sophistiqués des énergies rovibrationnelles - combinant des phénomènes de vibration et de rotation de la molécule – dans leur état électronique fondamental. Les écarts entre les fréquences de transition théoriques et expérimentales peuvent fournir des informations clés sur la physique au-delà du modèle standard.
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Découvrez le reportage photos complet « Enregistrer les spectres d’absorption de molécules gazeuses avec une cavité optique » sur la médiathèque du CNRS.
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Ces recherches ont été financées en tout ou partie, par l’Agence nationale de la recherche (ANR) au titre du projet ANR- COMPLEAT -AAPG2019. Cette communication est réalisée et financée dans le cadre de l’appel à projet Sciences Avec et Pour la Société - Culture Scientifique Technique et Industrielle pour les projets JCJC et PRC des appels à projets génériques 2018-2019 (SAPS-CSTI-JCJC et PRC AAPG 18/19).