Spectroscopie ultraviolet-visible et infrarouge de molécules clés atmosphériques, Ultraviolet-visible and infared spectroscopy of atmospheric key molecules

Ecole doctorale Science et Ingénierie, Matériaux, Modélisation et Environnement
THÈSE
Présentée à l’Université Paris12 –Val de Marne
UFR de Sciences et Technologies
Pour l’obtention du diplôme de Docteur en Sciences
Spécialité « Sciences de l’Univers et de l’Environnement »
Par
Aline GRATIEN
Spectroscopie ultraviolet-visible et infrarouge de molécules
clés atmosphériques
Thèse dirigée par Bénédicte Picquet-Varrault et Johannes Orphal
Soutenue le 6 novembre 2008 devant la commission d’examen :
E. Villenave Professeur à l’Université Bordeaux 1 Président
C. Fittschen Directeur de recherche CNRS, Lille Rapporteur
M.-R. De Backer-Barilly Professeur à l’Université de Reims Rapporteur
C. J. Nielsen Professeur à l’Université d’Oslo Examinateur
B. Picquet-Varrault Maître de conférences à l’Université Paris 12 Co-directrice de thèse
J. Orphal Professeur à l’Université Paris 12 Directeur de thèse Cette merveilleuse aventure dans le monde de la recherche au LISA au sein de l’équipe
dirigée par Jean-François Doussin a commencé il y a cinq ans lorsqu’un de mes enseignants
Rémi Losno m’a proposé un stage de maitrise au sein de son laboratoire.
Avant d’entamer ce manuscrit, je remercie profondément tous ceux qui m’ont aidé à
accomplir ce projet de recherche.
Mes premières pensées vont à ma co-directrice de thèse Bénédicte Picquet-Varrault. Ces trois
années de thèse sous sa co-direction furent pour moi un véritable plaisir (des larmes au rire)
et un vrai enrichissement. Je tiens à lui exprimer toute ma reconnaissance et tous mes plus
chaleureux remerciements, pour avoir suivi mon travail avec beaucoup d’intérêt pendant ces
années passées au LISA. Je la remercie aussi pour sa passion pour son travail, sa présence et
sa disponibilité continue. Je tiens aussi à remercier chaleureusement mon directeur de thèse,
Johannes Orphal pour avoir suivi avec beaucoup d’intérêt mon travail de thèse et pour ses
précieux conseils. Mes deux directeurs de thèse m’ont encouragée et soutenue et je leur serai
toujours reconnaissante pour la confiance qu’ils m’ont accordée.
Je souhaite remercier les membres du jury pour m’avoir fait l’honneur d’examiner ce travail,
Eric Villenave pour en avoir assuré la présidence, Christa Fittschen et Marie-Renée De
Backer-Barilly qui en ont été les rapporteurs. Je remercie tout particulièrement Claus Jorgen
Nielsen, examinateur de ce travail, de m’avoir accueilli dans son laboratoire pendant mon
travail de thèse et de notre collaboration fructueuse.
Je remercie également les directeurs successifs du LISA, François Raulin et Jean-Marie
Flaud pour leur accueil au sein du laboratoire.
Un grand merci à tous les membres de l’équipe MEREIA et autres pour leur sympathie, leur
aide et les très bons moments passés ensemble
Jean-François pour son aide précieuse, sa gentillesse, pour avoir toujours suivi mon travail
avec attention et pour sa participation à la lecture et à la correction de ce manuscrit.
Nathalie d’avoir encadré mon stage de recherche de maîtrise
Régine, pour son aide, son écoute, sa gentillesse,
Emilie, pour sa gentillesse, ses conseils et son écoute qui a partagé mon bureau pendant ces
trois ans de thèse, ainsi que le téléphone (maintenant plus personne ne doit se tromper !) Marie, ma stagiaire de L3, d’avoir été très compréhensible avec moi pour ma première
expérience d’encadrement
Laura, Yasmine, Aurélie, Agnès, Hélène, Pascale toujours prêtes à rendre service
Marie-Claire qui m’a offert de grands moments d’enseignement et de stress devant des
étudiants souvent plus agés que moi
Je n’oublie surtout pas les personnes avec qui j’ai passé de bons moments et pour tous les
souvenirs que j’emporte avec moi en particulier Joëlle (les soirées !), Junnan (quand est-ce
qu’on se fait un resto chinois ?), Charbel (merci !), Eric (à bientôt), Fabien (merci pour le
soutien, les encouragements, les discussions), Thomas (pour les nombreuses discussions),
Anne (bon moment passé à l’école d’été), etc.
Enfin je remercie de tout cœur et tout simplement ma famille et tout spécialement mes
parents, ma sœur et mon frère pour leur soutien, leurs encouragements et leur amour.
Merci à tous
AlineSommaire
INTRODUCTION................................................................................................................................. 5
ERE
1 PARTIE : CONTEXTE SCIENTIFIQUE.................................................................................. 9
CHAPITRE I : L’ATMOSPHERE – UN REACTEUR COMPLEXE .......................................... 11
1. L’ACTION DU RAYONNEMENT SOLAIRE : LA PHOTOLYSE ........................................................ 12
2. L’EFFET DE SERRE .................................................................................................................... 14
3. LA POLLUTION PHOTOOXYDANTE ............................................................................................ 15
4. LES DIFFERENTES ECHELLES .................................................................................................... 16
5. LES MOYENS MIS EN ŒUVRE POUR COMPRENDRE LA CHIMIE ATMOSPHERIQUE ...................... 17
CHAPITRE II : LES MESURES SPECTROSCOPIQUES DES COMPOSES
ATMOSPHERIQUES GAZEUX....................................................................................................... 19
1. SPECTRE ELECTROMAGNETIQUE .............................................................................................. 19
2. SPECTROSCOPIE D’ABSORPTION............................................................................................... 20
3. LES PRINCIPALES TECHNIQUES UTILISEES POUR LA MESURE DES ESPECES GAZEUSES ............ 22
3.1. La spectroscopie infrarouge............................................................................................ 22
3.2. La spectroscopie ultraviolet-visible................................................................................. 27
4. LES DIFFERENTS MODES DE SONDAGE...................................................................................... 32
4.1. Les mesures in situ........................................................................................................... 32
4.2. Les mesures depuis l’espace............................................................................................ 34
5. QUELS BESOINS EN TERMES DE DONNEES SPECTROSCOPIQUES ?............................................. 38
CHAPITRE III : LES COMPOSES D’ETUDE ............................................................................... 41
1. L’OZONE................................................................................................................................... 43
1.1. Les sources de l’ozone..................................................................................................... 44
1.2. La photochimie de l’ozone............................................................................................... 46
1.3. Les mesures spectroscopiques de l’ozone........................................................................ 48
1.4. L’état de l’art sur les sections efficaces de l’ozone......................................................... 52
2. LE FORMALDEHYDE.................................................................................................................. 55
2.1. Les sources de formaldéhyde........................................................................................... 55
2.2. La photochimie du formaldéhyde .................................................................................... 57
12.3. Les mesures spectroscopiques du formaldéhyde ............................................................. 59
2.4. L’état de l’art sur les sections efficaces du formaldéhyde............................................... 63
3. LES ISOTOPES DU FORMALDEHYDE .......................................................................................... 65
3.1. Généralités sur les isotopes............................................................................................. 65
3.2. Mesures des isotopes du formaldéhyde ........................................................................... 67
3.3. Etude des isotopes deutérés du formaldéhyde pour contraindre le budget de H ........... 682
4. L’ACIDE NITREUX..................................................................................................................... 70
4.1. Les sources de l’acide nitreux ......................................................................................... 70
4.2. La chimie de l’acide nitreux ............................................................................................ 72
4.3. Les mesures spectroscopiques de l’acide nitreux............................................................ 72