Soutenance mémoire
Les constituants de l’atmosphère
L’air sec se compose de 78.087 % de diazote, 20.95 % de dioxygène, 0.93 % d’argon, 0.041 % de dioxyde de carbone et des traces d’autres gaz. La vapeur d’eau contenue dans l’air humide représente quant à elle en moyenne 0.25 % de la masse totale de l’atmosphère. Les traces d’autres gaz évoqués précédemment représentent moins de 0.03 % de l’atmosphère. Ce sont en majorité des gaz rares : néon, hélium, krypton, xénon et radon. Dans ces traces de gaz, on retrouve les gaz à effet de serre qui outre la vapeur d’eau et le dioxyde de carbone sont le méthane, l’oxyde d’azote et l’ozone. D’autres éléments d’origine naturelle sont présents en plus faible quantité, dont la poussière, le pollen et les spores ainsi que des virus, bactéries. De très nombreux aérosols d’origine naturelle ou anthropique sont aussi présents dans l’air, ainsi que des polluants. Parmi les polluants gazeux émis de façon directe dans l’atmosphère, on retrouve le dioxyde de soufre (SO2), qui est un gaz dangereux provoquant l’irritation des muqueuses et de la peau et qui est également responsable de l’extinction d’espèces végétales sensibles. On trouve également les oxydes d’azote (NOx) qui entraînent des irritations de l’appareil respiratoire. On retrouve également le monoxyde de carbone (CO) qui est un gaz incolore, inodore et très diffusible dans l’air. Le dégagement de monoxyde de carbone dans l’atmosphère est provoqué par la combustion incomplète de composés carbonés. Le monoxyde de carbone n’est pas un gaz irritant, comme les SO2 et NOx, mais il se fixe à la place du dioxygène sur l’hémoglobine du sang, provoquant un manque d’oxygénation des organes pouvant entrainer la mort suite à une exposition prolongée. Au-delà de ces différents gaz, il existe bien sur d’autres gaz hautement plus toxiques et dangereux développés par l’homme au cours de l’histoire à des fins militaires.
Les gaz à effet de serre
Le méthane qui est le gaz visé dans ce travail de thèse fait partie de la famille des gaz à effet de serre (GES) qui sont bien connus pour leur impact sur le réchauffement climatique. La notion d’effet de serre est décrite par tout changement climatique provoqué par des phénomènes, naturelles ou non, produisant des variations des caractéristiques climatiques de la terre. Ces variations peuvent provenir de phénomènes naturels tels que les radiations solaires ou l’activité volcanique, et aussi et surtout de rejets de GES dans l’atmosphère provenant majoritairement des activités humaines. Parmi ces gaz, le méthane (CH4) représente l’un des GES majeurs produits par l’activité humaine. Le rapport du Groupe Intergouvernemental sur l’évolution du Climat (GIEC) en 2014 alerte sur l’augmentation drastique de la température moyenne (Tm) de la Terre au cours des 50 dernières années et souligne la nécessité de réduire les émissions de ces gaz qui provoquent des perturbations irréversibles pour l’écosystème terrestre. Chaque gaz à effet de serre contribue à l’effet de serre selon ses caractéristiques, son abondance et les effets indirects qu’il peut causer.
Vapeur d’eau
La vapeur d’eau représente la phase gazeuse de l’eau et est inodore, incolore et invisible. Cette vapeur est obtenue par vaporisation, évaporation ou ébullition de l’eau liquide ou par sublimation de la glace. Présente en grande quantité dans l’atmosphère, ce gaz est également le principal GES. Sa concentration dans l’atmosphère change sous l’effet de rétroactions climatiques liées au réchauffement de l’atmosphère et non à cause de l’industrialisation. Les molécules de vapeur d’eau à basse atmosphère absorbent la chaleur émise par la surface de la terre. À leur tour, ces molécules émettent de la chaleur dans toutes les directions, dont une partie retourne vers la surface de la Terre. Ainsi, la vapeur d’eau représente une seconde source de chaleur après la lumière solaire arrivant à la surface de la Terre.
À cause de l’effet des GES, le réchauffement climatique provoque une évaporation d’eau (rivières, océans, réservoirs, sols) de plus en plus importante. L’air plus chaud entraîne par conséquent une augmentation de la concentration en vapeur d’eau de l’atmosphère. Les radiations IR provenant de la Terre seront donc de plus en plus absorbées augmentant encore davantage le réchauffement de l’atmosphère. On se retrouve donc dans une boucle de rétroaction dite « positive».
Dioxyde de carbone
Le CO2 est un puissant gaz à effet de serre. Ces rejets dans l’atmosphère proviennent principalement des combustibles fossiles comme le charbon, le gaz naturel ou le pétrole. Pour cette raison, les émissions automobiles et la production industrielle représentent un problème écologique majeur. En 2013, le seuil symbolique des 400 ppm de CO2 dans l’atmosphère a été atteint à Hawaï. Cette valeur de concentration n’avait pas été atteinte depuis deux millions d’années. Ces mesures ont été réalisées à Mauna Loa Observatory à Hawaï. Le CO2 a ainsi augmenté dans l’atmosphère de 32% entre 1950 et 2020, soit une augmentation de 315ppm (partie par millions) à415ppm en 70 ans.
Même si le CO2 ne présente pas le pouvoir de réchauffement global (PRG) le plus important des GES, la quantité de CO2 dans l’atmosphère fait de lui le GES le plus nuisible.
L’Ozone
L’ozone est un gaz très réactif avec les molécules qui l’entourent. Son instabilité se manifeste à l’état condensé par une tendance à l’explosion lorsque sa concentration est significative. Les radiations Ultra-violettes (UV) et l’oxygène interagissent pour former l’ozone dans la stratosphère. Présent sous la forme d’une large bande, appelée couche d’ozone, une petite partie de cet ozone descend naturellement jusqu’à la surface de la Terre. Cependant, au cours du 20ème siècle, de l’ozone s’est accumulé, non pas dans la stratosphère, mais dans la troposphère en lien direct avec les activités humaines. Cet ozone contribue de façon importante au smog photochimique. Le terme « smog » fait référence à un mélange toxique de polluants atmosphériques que l’on peut souvent observer sous forme de brume diffuse dans l’air. Selon une recherche concernant l’évolution de l’ozone troposphérique au cours du 20ème siècle, effectuée à partir de l’observatoire du Pic du Midi, il apparaît que la concentration en ozone a été multipliée par 5 depuis la fin du 19ème siècle aux latitudes moyennes de l’hémisphère nord, passant de 10ppb en 1874 à 50ppb à la fin du 20ème siècle. Ceci correspond à un taux de croissance annuelle de 1.6%, la tendance étant plus forte au cours des dernières décennies avec une croissance de 2.4% par an. En outre, les réactions chimiques complexes dans la troposphère en lien avec l’ozone ont tendance à accroître l’effet du réchauffement global, notamment en limitant la photosynthèse des plantes, et par conséquent l’absorption du CO2.
Les gaz fluorés
Il s’agit notamment des hydrofluorocarbures (HC), des perfluorocarbures (PFC) et de l’hexafluorure de soufre (SF6). La part des gaz fluorés dans les émissions mondiales de gaz à effet de serre est actuellement de 1,1%. Contrairement aux autres GES, les gaz fluorés (HFCs, PFCs et SF6) sont exclusivement liés à l’activité humaine. Ils ont de longues durées de vie, pouvant aller jusqu’à plusieurs milliers d’années. Ainsi, comme d’autres GES à longue vie atmosphérique, les gaz fluorés sont intimement mélangés à l’atmosphère, se répandant dans le monde entier après leur émission. De façon générale, les gaz fluorés sont les plus puissants et les plus durables des GES produits par l’homme.
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Table des matières
INTRODUCTION
1. Les constituants de l’atmosphère
1.1 Les gaz à effet de serre
1.1.1 Vapeur d’eau
1.1.2 Dioxyde de carbone
1.1.3 Le méthane et le protoxyde d’azote
1.1.4 L’Ozone
1.1.5 Les gaz fluorés
1.2 Signatures dans l’IR des gaz à effet de serre
2. Les capteurs optiques de gaz
2.1 Détection spectroscopique de gaz
2.1.1 Spectroscopie IR
2.1.2 Spectroscopie UV/visible
2.1.3 Spectroscopie hyperfréquence
2.2 Capteurs à guide d’ondes
2.3 Capteurs à fibre optique
2.3.1 Capteurs à fibre optique intrinsèques
2.3.2 Capteurs à fibre optique extrinsèques
2.4 Détection par résonance de plasmon de surface (SPR)
3. Vers un détecteur tout-optique de méthane
3.1 Sources de méthane
3.1.1 Sources humaines ou anthropogéniques de méthane
3.1.2 Concentration du méthane dans l’atmosphère
3.2 Détection du méthane
3.3 Prototype tout–optique de détection du CO2
3.4 Capteur tout-optique de méthane
4. Dopage
4.1 Intérêt des matrices à basse énergie de phonon dopées terres-rares
4.2 Incidence de la matrice sur les terres-rares
5. Bilan et objectif de cette thèse
6. Bibliographie
CONCLUSION
