Projet ANR-12-PDOC-0012 – ASGGRS : Études des profils spectraux d’absorption de gaz à effet de serre en vue de leur télédétection
Programme : Retour Post-Doctorants (RPDOC)
Année de financement : 2012
Coordinateur du projet : Monsieur Julien LAMOUROUX (Laboratoire Interuniversitaire des Systèmes Atmosphériques)
Partenaires : Laboratoire Interuniversitaire des Systèmes Atmosphériques
Montant : 165360.0 euros
Date de début : 2013
Durée : 36 mois
Résumé : Profils spectraux d’absorption de gaz à effet de serre pour leur télédétection.Malgré des progrès importants, les modèles de formes de raies restent la limitation principale pour la télédétection précise des gaz à effet de serre. Leur précision reste insuffisante pour la détection des sources et puits de ces gaz, posant la question du succès de certaines mesures satellitaires.
Nouveaux outils spectroscopiques pour la télédétection des gaz à effet de serre.Le réchauffement climatique est un problème environnemental crucial pour notre planète. Une connaissance précise de la distribution des gaz à effet de serre dans l'atmosphère terrestre est de première importance pour des prédictions fiables de l'évolution du climat. Celle ci requière la quantification des sources et des puits de ces gaz ainsi que leur distribution spatio-temporelle à grande résolution et précision afin de séparer les variations naturelles des contributions humaines. Le but de ce projet est de fournir des outils spectroscopiques améliorés pour soutenir les recherches dévouées aux questions du réchauffement climatique en réduisant les incertitudes actuelles sur les formes de raies utilisés par télédétection. Cela devrait conduire à de nouveaux modèles (et logiciels) physiquement fondés et devrait permettre de comprendre les mécanismes influant sur les formes de raies, et ainsi ouvrir la voie à des prédictions fiables de leur contributions dans les spectres atmosphériques
Modèles de formes de raies par simulations de dynamique moléculaire classique.D'une part, les effets du couplage collisionnel entre raies sur les formes de raies ont été calculés à partir d'un modèle semi-empirique (basé sur l'approximation soudaine corrigée en énergie). D'autre part, ces effets ont été modélisés à l'aide de simulations de dynamique moléculaire classique. Ces simulations consistent en la résolution numérique des équations de la dynamique classique pour un grand nombre de molécules (plusieurs millions). Ces calculs fournissent, pour chaque molécule, les évolutions temporelles des positions et vitesses du centre de masse aussi bien que les vecteurs définissant son orientation et son moment angulaire de rotation. A partir de ces quantités, les spectres d'absorption (ou de diffusion Raman), mais aussi un certain nombre de paramètres impliqués dans certains modèles de formes de raies analytiques, peuvent être obtenus. De plus, cette approche ne contient aucun paramètre ajusté, contrairement à la majorité des approches semi-empiriques utilisées.
Résumé de la soumission : L'influence de certains gaz a effet de serre (dioxyde de carbone et méthane) sur le climat terrestre est un problème majeur d'un point de vue environnemental, sociétal, et politique. De nombreux instruments (au sol ou sur embarqués sur satellites) ont pour but de mesurer ces gaz dans l'atmosphère terrestre avec grande précision. L'analyse des données mesurées, principalement effectuées par des procédures d'inversion, nécessite la connaissance des paramètres spectroscopiques intrinsèques des raies d'absorption (positions, intensités,...). Cependant, les collisions entre les molécules doivent aussi être considérées, leur effets conduisant a une modification des formes de raies pour la plupart des conditions physiques atmosphériques (pression, température,...). Les paramètres collisionnels décrivant ces effets (élargissements, déplacements induits par la pression, leur dépendance en température, paramètres des effets d'interférence entre raies,...) et les modèles de formes de raies sont à présent reconnus comme étant les principales sources d'erreurs systématiques lors de la détermination par télédétection des abondances des gaz a effet de serre par les procédures d'inversion. La plupart de ces procédures utilisent le modèle de forme de raies de Voigt, convolution des profils Gaussien et Lorentzien, malgré que les insuffisances de modèle soient bien connues, et conduisent à des biais sur les paramètres déterminés par télédétection. Afin de prendre en compte les écarts au profile de Voigt, de nombreux modèles empiriques (ou semi-empiriques), basés sur un (ou plus) paramètres ad-hoc ajustés sur données expérimentales disponibles, ont été développé. Dû a leur caractère empirique, ces modèles ne reposent pas sur des bases physiques robustes et par conséquent peuvent conduire a des interprétations et des prédictions erronées, notamment lorsqu'elles sont utilisées pour des extrapolations.Ce projet a pour but de répondre certaines des questions posées par les écarts au profil de Voigt, nécessaire pour une détermination précise des concentrations des gaz à effet de serre. Les recherches proposées devraient conduire au développement de nouveaux modèles reposant sur des bases physiques solides et sans paramètres ajustables si possible, et des logiciels associés, afin d'être utilisé dans les codes de télédétection et de transfert radiatif. Dans ce but, les principaux points des travaux proposés ici sont: (1) l'étude détaillée des modèles actuellement disponibles dans la littérature; (2) le développement de nouvelles approches théoriques et des logiciels associés; (3) des mesures de laboratoire; et (4) l'étude des spectres atmosphériques à l'aide des nouvelles approches, et de leur conséquences sur la détermination des abondances moléculaires. La méthodologie proposée pour la résolution de ces tâches est récente, mais certains de ces points ont été validés pour CO2 par quelques études. Ces nouvelles approches, robustes et validées à l'aide des mesures de laboratoires et des spectres atmosphériques, conduiront, nous l'espérons, a une réduction des incertitudes sur les abondances de CO2 et CH4, et par conséquent devrait contribuer aux succès des missions satellitaires actuelles et futures dévouées a la cartographie quantitative des puits et des sources de ces gaz à effet de serre.
Résultats : Une nouvelle mise à jour de la base de données+logiciels pour la prise en compte des effets de couplage collisionnel entre raies pour CO2 est en cours de validation. Les résultats démontrent une nette amélioration de leur prise en compte. D'autre part, des calculs ab initio de ces effets de couplage ont été réalisés pour la première fois à partir de simulations de dynamique moléculaire. Les comparaisons entre les spectres calculés et expérimentaux démontrent la qualité du modèle théorique. Ces résultats ouvrent des perspectives pour la prédiction ab initio des effets de couplage collisionnel.
Perspectives : Après validation, les nouvelles approches théoriques seront distribuées aux communautés des spectroscopistes et atmosphéristes. Nous espérons que l'utilisation des nouveaux modèles conduira à une diminution significative des erreurs sur les paramètres géophysiques déterminés à partir des procédures d'inversion. Ces nouvelles approches pourront être importantes pour le succès des instruments satellitaires actuels et futurs, et donc pour des prédictions fiables des effets des gaz à effet de serre.
Publications et brevets : J. Lamouroux et al., J. Chem. Phys. 138(2013), 244310. doi:10.1063/1.4811518. 
J. Lamouroux,J.-M. Hartmann,H. Tran,M. Snels,S. Stefani,G. Piccioni,Ab initio classical dynamics simulations of CO2 line-mixing effects in Infrared bands,68th International Symposium on Molecular Spectroscopy (Etats-Unis).