Thèses
Simulation de la signature infrarouge des phénomènes lumineux transitoires en moyenne atmosphère
Soutenance de thèse – Frédéric ROMAND
Le 3 octobre 2018 à 14h00
À Sorbonne Université, UFR Terre, Environnement, Biodiversité
Salle de conférence, tour 56 - 46 2ème étage
4 place Jussieu, 75005 Paris
Devant le jury composé de :
Mme Elisabeth BLANC (CEA) Rapporteure
M. Sébastien CELESTIN (Université d’Orléans) Rapporteur
M. Alain HAUCHECORNE (LATMOS) Examinateur
M. Denis PACKAN (ONERA) Examinateur
M. Sébastien PAYAN (LATMOS) Directeur de thèse
Mme Laurence CROIZE (ONERA) Invitée
Résumé :
Les émissions lumineuses visibles des sprites ont principalement été attribuées aux états électroniques de N2 et N2+. Des émissions dans l’infrarouge moyen et lointain ont également été prédites par des travaux de simulation, mais elles n’ont jamais été observées à partir d’un dispositif expérimental. Celles-ci seraient consécutives à l’excitation des états vibrationnels de CO2 par différents phénomènes de collisions entre électrons et molécules lors de la propagation du sprite. L’étude du rayonnement infrarouge des sprites présente un intérêt dual. En sciences de l’atmosphère, leur effet sur la composition chimique peut être évalué par des méthodes de télédétection infrarouge. La Défense utilise des systèmes de veille optronique satellitaires ou aéroportés pour la détection de tirs de missiles. Dans ce cadre, il est indispensable d’évaluer le potentiel de fausse alarme par les phénomènes atmosphériques naturels, dont les sprites.
L’objectif de ce travail est de modéliser les phénomènes d’excitation vibrationnelle des molécules atmosphériques par un sprite et de caractériser les émissions infrarouges associées. Pour cela, un modèle de cinétique plasma-vibrationnelle, qui permet de modéliser les interactions entre électrons et états vibrationnels des molécules, a été développé et couplé à un modèle de transfert radiatif atmosphérique. Cet outil permet de simuler les effets énergétiques, chimiques et radiatifs consécutifs à la perturbation électrique des streamers, éléments constitutifs des sprites.
Il a ainsi été montré que d’importantes émissions ont lieu entre 4 – 5 et 9 – 11 μm, et que celles-ci pourraient être détectables depuis la stratosphère ou depuis l’espace. Par ailleurs, les effets des incertitudes sur les principaux paramètres du modèle ont été hiérarchisés à travers une étude de sensibilité, ce qui a permis de définir les axes prioritaires d’amélioration à venir. Enfin, ces travaux ont permis de définir des spécifications instrumentales pour la mission HALESIS (High Altitude Luminous Events Studied by Infrared Spectro-imagery). Celle-ci aura pour but d’observer les sprites et autres phénomènes lumineux de moyenne atmosphère dans l’infrarouge à l’aide d’instruments embarqués sous un ballon stratosphérique.
Mots clés : sprites, cinétique plasma-vibrationnelle, transfert radiatif hors équilibre thermodynamique local, rayonnement infrarouge, HALESIS
Plan d'accès au Bâtiment d'Alembert.
http://www.uvsq.fr/comment-acceder-au-batiment-d-alembert--231402.kjsp
Abstract:
Je présente mes travaux de thèse où je me suis intéressé à la réactivité chimique des composés organiques en phase gaz et solide, en utilisant des expériences de laboratoire simulant les conditions de l'ionosphère et de la basse atmosphère de Titan, le plus gros satellite de Saturne. Titan est la seule lune du Système Solaire qui possède sa propre atmosphère. Cette atmosphère est principalement composée d'azote moléculaire (N2). Le méthane (CH4) forme le gaz secondaire. D'une part, j'ai analysé les composés neutres et les composés chargés (ions) présents dans des mélanges gazeux simulant la haute atmosphère de Titan. Ces composés sont les précurseurs gazeux à la brume organique observée entourant Titan, et les analogues de laboratoire appelés tholins. C'est-à-dire qu'ils forment les premières étapes d'une succession de réactions chimiques de plus en plus élaborées formant plus bas dans l'atmosphère des particules solides complexes. La nature de ces composés et leur réactivité dans l'atmosphère de Titan ainsi que dans nos expériences restent encore à élucider complètement. Mon travail pendant cette thèse a été d'utiliser des expériences de laboratoire pour investiguer la réactivité chimique en phase gaz précurseurs à la formation d'aérosols, ainsi que le vieillissement de ces composés plus bas dans l'atmosphère lorsqu'ils forment les premiers condensats de nucléation à la formation de nuages.
Abstract:
Titan, orbiting Saturn, is the only moon in the Solar System to possess its own dense and gravitationally-bound atmosphere, and is even larger than planet Mercury. Its rocky diameter is a mere 117 km shy of Ganymede's. If we were to scoop up a 1 cm3 sample from Titan's upper atmosphere, we would find two dominant molecules: molecular nitrogen N2 and methane CH4. Should we look a bit more carefully, we would find many neutral molecules and positive and negative ion compounds. These chemical species are the outcome of processes resulting from energetic radiation reaching Titan's upper atmosphere, breaking apart the initial N2 and CH4. A cascade of subsequent reactions will trigger the formation of new more and more complex gas phase products. Eventually, these products mainly containing hydrogen, carbon and nitrogen will form large fractal aggregates composing the opaque haze enshrouding the surface of Titan. This haze is what gives Titan such a unique brownish hue. Most of the photochemically-produced volatiles will eventually condense in the lower atmosphere, where they may aggregate to form micrometer-sized icy particles and clouds. During my PhD, I have focused my studies on (i) the gas phase reactivity of aerosol precursors in experimental conditions analogous to Titan's upper atmosphere, and (ii) the end of life of some of the products as they condense in the lower and colder atmosphere. I used two experiments to address these respective issues: the PAMPRE plasma reactor, located at LATMOS, UVSQ, Guyancourt, France, and the Acquabella chamber at the Jet Propulsion Laboratory, NASA-Caltech, Pasadena, USA. I present my work on the neutral-ion coupling reactivity as well as ice photochemistry resulting from irradiation in near-UV wavelengths.
Cette soutenance d'Habilitation à diriger des Recherches qui aura lieu le vendredi 14 septembre à 14h, à l'UVSQ, Guyancourt, Bâtiment d'Alembert, Salle de Thèses (2eme étage).
Le rôle important de la stratosphère dans le système terrestre et son impact sur la météorologie et le climat de surface sont maintenant bien reconnus. Cependant, la compréhension actuelle de la variabilité stratosphérique est loin d'être complète, ce qui rend les projections climatiques incertaines. L'objectif scientifique global poursuivi dans le cadre de mes recherches est d'améliorer notre compréhension des processus stratosphériques et leur évolution dans le temps, tandis que les principaux outils sont la mise en œuvre d'instruments de télédétection et in situ et l'utilisation de données de différents types d'observation (sol, in situ, satellitaire). L'approche que je poursuis consiste en une utilisation synergétique de ces différentes observations en tenant compte de leurs caractéristiques et de leurs limites pour l'étude des processus stratosphériques à différentes échelles temporelles et spatiales. Mes principaux intérêts de recherche concernent les aspects suivants de la science de la stratosphère : les processus physiques contrôlant le bilan stratosphérique, la distribution et la variabilité de la vapeur d'eau et des aérosols, les ondes de gravité et la distribution des gaz traces. Mes perspectives de recherche portent sur le transport de l'eau à travers la tropopause tropicale, l'impact stratosphérique de la mousson asiatique ainsi que les facteurs de variabilité interannuelle et décennale de la composition et de la circulation stratosphériques.
Titre : Tracking volcanic sulphate : modelling tropospheric volcanic sulphate formation and its oxygen isotopic signatures
17 Septembre 2018, à 14h00 à l'Amphithéâtre Durand - Bâtiment Esclangon - Campus Jussieu. Volcanic emissions are a major source of pollutants, notably sulphur. Volcanic sulphur is oxidized in the atmosphere, forming sulphate aerosols that influence climate via absorption and dispersion of incoming solar radiation. While tropospheric volcanic sulphur emissions can influence climate only at local and regional scales, they are important for acid deposition and hazardous effects on human health. Besides, large uncertainties are still pertaining to the tropospheric cycle of volcanic sulphur, notably on its oxidation and conversion into sulphate aerosols within volcanic plumes. Recent observations show that volcanic plumes can also contain large amounts of reactive halogens that destroy ozone and affect the budget of atmospheric oxidants. However, halogens influence on volcanic sulphur oxidation is still unclear. The purpose of this work is to investigate sulphur oxidation in a wide range of volcanic plumes, and volcanic halogens influence on in-plume chemistry. Volcanic sulphur processing is investigated with the aid of a photochemical box-model (CiTTyCAT), which contains a detailed description of sulphur and halogens heterogeneous chemistry on liquid water-rich phases and sulphate aerosols. The chemical scheme is also coupled to an oxygen isotope transfer scheme, monitoring the evolution of volcanic sulphate 17O. The isotopic oxygen composition of volcanic sulphate, namely the excess of 17O (D17O), is being explored, providing unexpected constraints on sulphur oxidation pathways within plumes, and on halogens role during volcanic sulphate formation.
Amélie Klein : analyse du profil vertical de l'ozone dans la basse troposphère à Paris
Soutenance de thèse qui aura lieu le mardi 10 Juillet à 14h en salle de conférence, couloir 46-56, 2ème étage à Jussieu, suivie d'un pot de thèse vers 17h.
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Site Guyancourt Tél : 01 80 28 50 21 |
Site Paris-Jussieu Tél: 01 44 27 90 77 |
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