Spectroscopie infrarouge haute température

Jupiter - Vue d’artiste d’un Jupiter chaud en transit devant son étoile. Source : ESA, NASA and Frédéric Pont (Geneva University Observatory)

La modélisation des atmosphères chaudes des naines brunes, Jupiters chauds ou enveloppes circumstellaires repose sur des codes de transfert radiatif qui requièrent une bonne connaissance de l’opacité des constituants, et ce à haute température (1000 à 2500 K). Les données spectroscopiques précises de laboratoire sont très insuffisantes dans ce domaine.

Dans une première approche, une source haute température est couplée à un spectromètre par Transformée de Fourier pour générer des spectres d’émission infrarouge à l’équilibre thermodynamique de petits hydrocarbures, desquels sont extraites les sections efficaces d’absorption.

Une deuxième technique consiste à détendre adiabatiquement dans une chambre basse pression le gaz initialement chauffé jusqu’à 2000 K (jet libre hypersonique) et à sonder l’écoulement par spectroscopie d’absorption ultrasensible (Cavity Ring Down Spectroscopy). Le chauffage peuple des états vibrationnels très excités, dont la contribution au spectre est prépondérante à haute température (bandes chaudes), et qui se relaxent très peu au cours de la détente. Par contre, la détente hypersonique dépeuple très efficacement les niveaux d’énergie de rotation-vibration, ce qui conduit à une forte simplification de la structure rotationnelle du spectre et facilite son analyse. On parle ainsi de spectroscopie hors-équilibre.

Un des objectifs est de produire plus particulièrement des données spectroscopiques de petits hydrocarbures, comme le méthane CH4, l’acétylène C2H2 ou l’éthylène C2H4, espèces qui peuvent affecter fortement la structure thermique de ces objets.

Au-delà de l’astrophysique, cette problématique concerne les champs de recherche de la combustion et de l’hypersonique (couches de choc de rentrée atmosphérique, sillage d’un engin balistique).
 

. - 
Spectre expérimental enregistré à l’équilibre thermodynamique à 1355 K (panneau supérieur), comparé à un spectre synthétique obtenu à l’aide d’un modèle global effectif (CQP, ULB) qui intègre nos données. L’agrandissement (panneau de droite) montre un très bon accord contrairement aux spectres synthétiques de la base HITRAN dont l’utilisation n’est pas encore adaptée au domaine des hautes températures.

Sélection de Publications

  • Emission spectroscopy from optically thick laboratory acetylene samples at high temperature, Audrey Moudens; Robert Georges; Abdessamad Benidar; Badr Amyay; M. Herman; Andre Fayt; Bertrand Plez, Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer, 2011, 112, pp. 540-549, DOI
  • Vibration-rotation pattern in acetylene (II): Introduction to Coriolis coupling in the global model and analysis of emission spectra of hot acetylene around 3 μm, Amyay B, Robert S, Herman M, Fayt A, Raghavendra B, Moudens A, Thiévin J, Rowe B, Georges R, J. Chem. Phys. 131, 114301 (2009)
  • High temperature emission spectroscopy of methane, Thiévin J, Georges R, Carles S, Benidar A, Rowe BR, Champion J-P, J Quant Spectrosc Rad Trans, 109, 2027-2036 (2008)