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Nouveaux développements semi-classiques pour les paramètres collisionnels de raies du méthane et calculs pour les bases de données spectroscopiques

Proposition de sujet de thèse :
Nouveaux développements semi-classiques pour les paramètres collisionnels de raies du méthane et calculs pour les bases de données spectroscopiques

Encadrants  : Jeanna Buldyreva (Pr, UTINAM) et Tony Gabard (MCF HDR, l’ICB)


Le méthane CH4 et ses isotopes deutérés sont connus comme molécules-clés pour la modélisation des atmosphères planétaires et satellitaires du système solaire [Chedin et al., JMS 71 (1978) 343 ; Karkoschka, Icarus 111 (1994) 174].
Ils sont également présents, à l’état de traces, dans l’atmosphère terrestre, où ils occupent la seconde place dans la liste des gaz à effet de serre. Afin d’établir les profils verticaux de leurs concentrations, des mesures spectroscopiques (nonintrusives) sont employées, qui nécessitent une connaissance précise de tous les paramètres de raies spectrales tels que
les positions, les intensités, les coefficients d’élargissement, de déplacement, de « line-mixing » ainsi que leurs dépendances en température, et ceci pour différents couples moléculaires (CH4-H2, CH4-N2, CH4-O2, CH4-He, CH4-
CO2, CH4-H2O, ...) et différentes gammes de pression.

A l’heure actuelle, les bases de données spectroscopiques habituellement utilisées pour des études atmosphériques et planétologiques (HITRAN, VAMDC, GEISA,…) doivent être complétées par des prédictions théoriques pour les largeurs et déplacements de raies du méthane dans une large gamme de fréquences couvertes par les instruments d’observations, afin de remplacer les valeurs expérimentales manquantes ou impossibles à obtenir.

Les calculs réalisés jusqu’à présent [Gabard, JMS 291 (2013) 61 et réfs. ibid.] sont basés sur des approches semiclassiques (les rotations et vibrations des molécules sont quantifiées tandis que leur mouvement translationnel est considéré comme classique), car la complexité de la dynamique interne du méthane empêche des calculs purement
quantiques. Ces calculs semi-classiques utilisent des trajectoires paraboliques, qui étaient considérées comme suffisamment précises il y a 30 ans, mais qui sont actuellement dépassées par d’autres modèles plus raffinés et fiables, comme par exemple les trajectoires exactes [Buldyreva et al., JQSRT 62 (1999) 321].

L’objectif de ce travail de thèse consiste à incorporer le modèle de trajectoires exactes, développé à Besançon, dans les codes de calcul de paramètres collisionnels du méthane, créés à Dijon, afin d’obtenir un outil moderne et fiable pour l’alimentation des bases de données spectroscopiques. Dans un premier temps, les systèmes CH4-X2 (où X=N, H,
O, …) seront étudiés.

La réalisation de ce travail s’appuiera sur les liens étroits établis avec :

  • différentes équipes expérimentales de la communauté spectroscopique internationale (en particulier, aux Etats-Unis et au Canada, où des mesures pour les paramètres de raies de CH4 sont - et continuent à être - réalisées) ;
  • les gestionnaires des bases de données HITRAN et GEISA ;
  • le Laboratoire International Associé avec la Russie LIA-SAMIA (Spectroscopie d’Absorption de Molécules d’Intérêt Atmosphérique et planétologique : de l’innovation instrumentale à la modélisation globale et aux bases de données), créé en janvier 2015 pour 4 ans ; UTINAM et l’ICB en font partie.

5 publications représentatives sur le sujet :

  • 1. N. Jacquinet, R. Armante, N.A. Scott, A. Chédin, L. Crépeau, C. Boutammine, A. Bouhdaoui, C. Crevoisier, V. Capelle, C.Boone, N. Poulet-Croivisier, A. Barbe, D.C. Benenr, V. Boudon, L.R. Brown, J. Buldyreva, A. Campargue, L.H. Coudert, V.M. Devi, M.J. Down, B.J. Drouin, A. Fayt, C. Fittschen, J.-M. Flaud, R.R. Gamache, J. Harrison, C. Hill, D. Jacquemart, E. Jimenez, A. Jolly, N. Lavrentieva, L. Lodi, A. Nikitin, O. Hodnebrog, A. Makie, S.T. Massie, S. Mikhailenko, H.S.P Müller, O.V. Naumenko, C. J. Nielsen, J. Orphal, V. Perevalov, A. Perrin, E. Polovtserva, A. Predoi-Cross, M. Rotger, A. A. Ruth, Yu Shanshan, K. Sung, S. Tashkun, J. Tennyson, V.G. Tyuterev, J. Vander Auwera « The 2015 edition of the GEISA spectroscopic database », Journal of Molecular Spectroscopy (submitted Feb. 4, 2016).
  • 2. A. Predoi-Cross, M.V. Devi, K. Sung, T. Sinyakova, J. Buldyreva, D.C. Benner, M.A.H. Smith, A. Mantz “Temperature dependences of N2-broadneing and shift coefficients in the ν6 perpendicular band of CH3D”, JQSRT 163, 120–141 (2015).
  • 3. A.S. Dudaryonok, N.N. Lavrentieva, J.V. Buldyreva “N2-broadening coefficients of CH3CN rovibrational lines and their temperature dependences for the Earth and Titan atmospheres”, Icarus 256, 30–36 (2015).
  • 4. J. Buldyreva “Air-broadening coefficients of CH335Cl and CH337Cl rovibrational lines and their temperature dependence by a semi-classical approach” JQSRT 130, 315–320 (2013).
  • 5. J. Buldyreva, N. Lavrentieva, V. Starikov “Collisional broadening and shifting of atmospheric gases : a practical guide for line shape modelling by current semiclassical approaches”, 304 p, World Scientific, Imperial College Press, (2010).

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Proposition thèse Bu­ldyreva