Des chercheurs de l’Institut de physique de l’Université Nicolaus Copernicus ont participé à des recherches sur les intensités des raies harmoniques. Des équipes de l’Institut national des normes et de la technologie aux États-Unis et de la Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) en Allemagne ont également effectué leurs mesures. Les calculs théoriques ont été effectués par un groupe de l’University College de Londres.
La recherche a été publiée dans Lettres d’examen physique.
« Jusqu’à présent, il n’y a eu aucun cas dans la littérature où les intensités des raies harmoniques moléculaires mesurées avec différentes techniques et dans différents laboratoires concordent à un niveau proche entre elles et en même temps avec les résultats de calculs théoriques indépendants », explique Dr Katarzyna Bielska du Département de physique atomique, moléculaire et optique de l’Université Nicolaus Copernicus, premier auteur de l’article.
« Il est important de noter que ces mesures précises sont extrêmement utiles partout où nous voulons déterminer par spectroscopie la teneur en substances, par exemple dans les études de l’atmosphère terrestre, ainsi que dans l’analyse des atmosphères d’autres corps célestes. De plus, les intensités précisément reconnues de raies harmoniques peuvent être utilisées à des fins métrologiques, par exemple pour développer des normes de température ou de pression. »
Candidat idéal : Monoxyde de carbone
Les chercheurs de Toruń sont principalement impliqués dans la spectroscopie moléculaire et s’intéressent à l’étude des spectres de molécules (le spectre à haute résolution d’une molécule relativement petite est composé de milliers de raies dites harmoniques), et dans ce cas, ils se sont particulièrement concentrés sur la mesure de l’intensité des raies harmoniques.
Les quatre équipes se sont attaquées au monoxyde de carbone, particulièrement adapté à ce type de recherche. D’une part, c’est une molécule relativement simple, mais du point de vue des calculs de mécanique quantique, elle est déjà complexe – elle convient donc à la fois pour effectuer les mesures les plus précises et pour tester diverses théories.
« Le monoxyde de carbone est « amical » d’un point de vue expérimental. Il est certes dangereux pour nous, mais si nous savons comment le gérer, nous pouvons profiter pleinement des opportunités qu’il nous offre pour la recherche », explique le Dr. Bielska. « Il a une structure spectrale assez simple, et il est également moins sujet aux complications expérimentales causées par l’adsorption et la désorption des parois cellulaires de l’échantillon que l’eau, par exemple. »
Des groupes de Pologne, d’Allemagne, des États-Unis et du Royaume-Uni ont tenu à mesurer aussi précisément que possible les intensités des raies harmoniques du monoxyde de carbone et à obtenir la plus grande cohérence possible des résultats. La précision dans ce domaine est en effet cruciale.
« Si je connais bien l’intensité de la ligne harmonique, et que je mesure ensuite cette ligne dans un échantillon inconnu, je peux alors déterminer quelle est la teneur de cette substance absorbante dans cet échantillon. Pour le dire encore plus clairement : si je mesure l’intensité de la ligne dans mon échantillon de monoxyde de carbone, puis prendre une mesure, par exemple, dans l’air d’une pièce particulière, alors je suis en mesure d’en conclure qu’il y a exactement cette quantité de monoxyde de carbone dans cette pièce », explique le Dr. Bielska. « Et c’est pourquoi le monoxyde de carbone, ou plus précisément la connaissance des intensités de ses raies harmoniques, est utile dans les applications atmosphériques. »
Cependant, il est important de se rappeler que lorsqu’il s’agit de tester la teneur en monoxyde de carbone de l’atmosphère terrestre, la précision nécessaire des mesures est clairement définie par l’Organisation météorologique mondiale – les comparaisons en laboratoire de la teneur en monoxyde de carbone dans un échantillon ne devraient pas différer de plus supérieur à 2,5 promilles.
« Ce 2,5 promille est déjà d’une très grande précision. Malheureusement, jusqu’à présent, lors de l’examen de la littérature scientifique sur le sujet, il s’est avéré que les intensités des mêmes lignes déterminées dans différents laboratoires ou calculées théoriquement par différents groupes de recherche peuvent différer de jusqu’à quelques pourcents, c’est-à-dire 10 à 20 fois plus que la précision de promille à laquelle nous nous attendons », explique le Dr Bielska.
Les molécules de monoxyde de carbone jouent un rôle important dans le processus de réchauffement climatique. Bien qu’il y en ait beaucoup moins dans l’atmosphère que, par exemple, les molécules de dioxyde de carbone, elles ont un plus grand potentiel de réchauffement global en raison des réactions chimiques dans lesquelles elles sont impliquées dans l’atmosphère, affectant la durée de vie d’autres molécules importantes : le méthane et ozone. Les exigences de précision des mesures spectroscopiques du monoxyde de carbone, comme celles des autres gaz à effet de serre majeurs, augmentent donc rapidement.
Différentes voies vers le but
Chaque groupe a choisi une méthode de mesure différente. Les physiciens de l’Université Nicolaus Copernicus ont basé la leur sur la dispersion de la cavité optique (CMDS), car ils ont récemment montré qu’elle conduit à des résultats plus précis que les techniques d’absorption couramment utilisées. Il convient de mentionner que la méthode CMDS elle-même a été développée dans le même groupe Toruń. Les Américains se sont concentrés sur la technique CRDS (la méthode dite de perte de cavité, une méthode d’absorption), qui a en outre été soumise à des procédures d’étalonnage non standard pour obtenir des résultats plus précis. Les Allemands, quant à eux, effectuaient des mesures à l’aide de la méthode de spectroscopie de Fourier – une technique très couramment utilisée, mais dans ce cas également, elle a été affinée à l’aide de procédures d’étalonnage non standard. De plus, un énorme travail a été effectué par un groupe de théoriciens de Londres. Toutes les équipes ont atteint une régularité supérieure à 1 promille.
« Mesurer avec différentes techniques présente le grand avantage de permettre une meilleure vérification de l’existence d’une erreur systématique. De telles erreurs se produisent et peuvent, par exemple, faire en sorte que toutes les intensités des lignes harmoniques soient 2% trop élevées », explique le Dr Bielska. . « Diverses techniques, différents laboratoires et des mesures effectuées de manière indépendante réduisent ce risque. De plus, des calculs théoriques relient le tout et le confirment. »
Force dans l’accord et la cohérence
« C’est là que réside la plus grande réussite de notre travail. Nous avons non seulement montré qu’il est possible d’obtenir un accord et une cohérence promille, mais nous avons également montré comment le faire. De plus, cette approche peut également être appliquée à d’autres, plus molécules complexes. C’est un grand défi, tant sur le plan théorique qu’expérimental, mais il peut être relevé », ajoute le Dr Bielska.
L’article commun et les collaborations antérieures entre laboratoires ne sont qu’un début. Le « consortium » informel est déjà rejoint par des équipes de scientifiques de différentes universités, instituts de recherche et de métrologie qui souhaitent poursuivre les efforts entamés et réaliser des mesures simultanées des intensités des raies harmoniques d’autres molécules. Le tout dans le but d’obtenir les résultats les plus précis et de fournir les données de référence nécessaires à la recherche atmosphérique, à la métrologie, à la recherche fondamentale et à de nombreux autres domaines de la science moderne.
Katarzyna Bielska et al, Mesures et calculs de sous-promille des intensités de lignes harmoniques de CO (3–0), Lettres d’examen physique (2022). DOI : 10.1103/PhysRevLett.129.043002
Fourni par l’Université Nicolaus Copernicus de Torun