La vapeur d’eau : transitions rovibrationnelles, base de données et continuum

Transitions rovibrationnelles et base de données

La technique CW-CRDS nous a permis d’étudier de façon extensive (position, intensité et attribution) l’isotopologue principal de la vapeur d’eau, H216O, et cinq isotopologues minoritaires (Fig. 1), soit 38 300 transitions entre 5850 et 7920 cm-1. Ces transitions ont pu être attribuées en collaboration avec S. Mikhailenko [DOI : 10.1016/J.JQSRT.2014.02.006] (Laboratory of Theoretical Spectroscopy, V.E. Zuev Institute of Atmospheric Optics, Tomsk, Russie) dans le cadre du LIA SAMIA. Par rapport aux données FTS existantes, un gain de détectivité de deux à trois ordres de grandeur a ainsi été obtenu, ce qui représente un apport déterminant pour la caractérisation des fenêtres de transparence atmosphérique (à 1.5 µm et 1.25 µm par exemple - Fig. 1). Les progrès ont été particulièrement marqués pour les isotopologues minoritaires, notamment HDO. Notre liste empirique très complète est maintenant incluse dans la dernière version de la base de données GEISA et a été retenue pour faire partie de la prochaine mise à jour de HITRAN.

Le continuum de la vapeur d’eau

La définition du continuum de la vapeur d’eau telle qu’illustrée en Fig.2 est quelque peu arbitraire : elle correspond à la différence entre l’absorption mesurée « vraie » et celle due aux raies locales du monomère calculée en utilisant, pour chacune des transitions, un profil de raie spécifique (généralement Voigt ) sur un intervalle Δσc de part et d’autre du centre de raie (généralement Δσ_c= 25 cm^-1). La valeur du continuum ainsi obtenue est donc liée à la base de données des raies d’absorption utilisée et au choix de la modélisation du profil des raies du monomère.

Le continuum de la vapeur d’eau tient un rôle important dans le calcul du bilan énergétique de l’atmosphère terrestre. D’autre part, son étendue spectrale rend sa caractérisation nécessaire lors de la télédétection d’éléments géophysiques ayant des signatures optiques étendues comme les albédos de surface, les aérosols et les nuages.

Le continuum a une dépendance quadratique avec la densité et sa section efficace diminue lorsque la température augmente.

L’origine du continuum de la vapeur d’eau est sujette à débat depuis plusieurs décennies [DOI : 10.1007/s10712-011-9170-y]. Plusieurs « phénomènes physiques » sont susceptibles de l’expliquer. Ce sont :

• l’absorption des ailes des raies permises du monomère (à plus de Δσc des centres de raies),
• l’absorption des dimères stables ou métastables (H₂O-H₂O, H₂O–N₂, H₂O-O₂,...),
• l’absorption induite par collision.

A cause de nombreuses difficultés expérimentales les mesures de la section efficace du continuum de la vapeur d’eau dans le proche infrarouge sont en nombre limité et fournissent des valeurs dispersées parfois en grand désaccord avec les résultats des modèles [DOI : 10.1029/2011JD015603] (Fig. 2). Ces désaccords illustrent la nécessité de réaliser des mesures précises des sections efficaces du continuum de la vapeur d’eau dans ce domaine spectral.

Nous avons mesuré, pour la première fois par CRDS, la section efficace du « self-continuum » entre 5875 et 6665 cm^-1 [DOI : 10.1002/2013JD021319]. Ces mesures ont été effectuées entre la température ambiante et 340 K ce qui a permis de déterminer également la dépendance en température de la section efficace pour les différents points spectraux étudiés. La très grande sensibilité et stabilité de notre spectromètre CRDS nous ont permis de déterminer cette section efficace avec une incertitude bien meilleure par rapport aux mesures antérieures. Comme le montre la Fig 3, nos mesures ne sont pas très éloignées des valeurs fournies par le modèle MT_CKD V2.5 mais sont en désaccord d’un facteur 80 (!!) avec les mesures par FTS obtenues très récemment2. L’origine du désaccord entre nos mesures CRDS et les mesures par FTS n’a pas encore été identifiée malgré de nombreuses investigations mais pourrait résulter du manque de sensibilité de cette dernière.