Un laser jette un nouvel éclairage sur l'équilibre isotopique à l'intérieur du dioxyde de carbone
Publié par Redbran le 13/04/2019 à 14:00
Source: CNRS-INSU
Une équipe internationale de l'université Heidelberg et du Laboratoire d'études du rayonnement et de la matière en astrophysique et atmosphères (LERMA, IPSL/CNRS/Observatoire de Paris-PSL/Sorbonne Université/Université de Cergy-Pontoise) a développé le premier instrument laser (Un laser est un appareil émettant de la lumière (rayonnement électromagnétique) amplifiée par émission stimulée. Le terme laser provient de...) pour mesurer les quatre espèces les plus abondantes de CO2, composées d'isotopes C, C, O et O. Cette analyse permet de remonter à la température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et étudiée en thermométrie. Dans la vie courante, elle...) d'équilibration des carbonates et est devenue un puissant outil (Un outil est un objet finalisé utilisé par un être vivant dans le but d'augmenter son efficacité naturelle dans l'action. Cette augmentation se traduit par la simplification des actions entreprises, par...) dans les sciences de la Terre (La Terre est la troisième planète du Système solaire par ordre de distance croissante au Soleil, et la quatrième par taille et par masse croissantes....) (paléoclimat, atmosphère (Le mot atmosphère peut avoir plusieurs significations :)...). Jusqu'ici, les analyses se font par des spectromètres de masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un corps : l'une quantifie l'inertie du corps (la masse inerte) et l'autre la contribution du corps à la force de gravitation (la...), mais la nouvelle méthode permet une analyse plus rapide et directe, ouvrant ainsi la voie à une meilleure utilisation de cette technique.


Réflexions de la lumière laser sur un des miroirs de la cellule à gaz (Un gaz est un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et quasi-indépendants. Dans l’état gazeux, la matière n'a pas de forme propre ni de volume propre : un gaz tend...) à l'intérieur de l'instrument optique (L'optique est la branche de la physique qui traite de la lumière, du rayonnement électromagnétique et de ses relations avec la vision.).

La répartition d'isotopes C/C et O/O dans le dioxyde de carbone (Le dioxyde de carbone, communément appelé gaz carbonique ou anhydride carbonique, est un composé chimique composé d'un atome de carbone et de deux atomes d'oxygène et dont la...) (CO2), ou dans les carbonates dont on peut extraire le dioxyde de carbone (Le carbone est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole C, de numéro atomique 6 et de masse atomique 12,0107.) et ainsi le mesurer, est un traceur largement répandu et utilisé depuis longtemps dans les sciences de la Terre. Une approche très récente s'intéresse plus particulièrement à la répartition de ces isotopes entre quatre variantes de la même molécule (Une molécule est un assemblage chimique électriquement neutre d'au moins deux atomes, qui peut exister à l'état libre, et qui représente la plus petite quantité de matière possédant...): l'espèce (Dans les sciences du vivant, l’espèce (du latin species, « type » ou « apparence ») est le taxon de base de la systématique. L'espèce est un concept flou dont il existe une multitude de...) isotopique de CO2 le plus abondant (CO2), les variantes substituées une fois par un isotope (Le noyau d'un atome est constitué en première approche de protons et de neutrons. En physique nucléaire, deux atomes sont dits isotopes s'ils ont le même nombre de protons. Le nombre de protons...) rare (C au lieu de C ou O au lieu de O) et la variante très rare, COO, doublement substituée par un isotope lourd. En équilibre thermodynamique (On peut définir la thermodynamique de deux façons simples : la science de la chaleur et des machines thermiques ou la science des grands systèmes en équilibre. La première définition est aussi la première dans l'histoire. La seconde...), la redistribution de ces quatre isotopes sur les quatre variantes dépend exclusivement de la température. En revanche, elle n'est pas influencée par d'autres variables environnementales (pH, rapports C/C et C/O...), faisant de ce traceur un thermomètre (Un thermomètre est un appareil qui sert à mesurer et à afficher la valeur des températures. C'est le domaine d'étude de la thermométrie.) particulièrement robuste et intéressant.

Jusqu'ici, ce type de mesures est le domaine de spectromètre (Un spectromètre est un appareil de mesure permettant d'étudier de décomposer une quantité observée — un faisceau lumineux en spectroscopie, ou bien un mélange de molécules par exemple en...) de masse spécialisé qui permet de quantifier l'abondance relative du très rare COO à une précision de 10-5. Le nouveau développement instrumental mené par l'équipe franco-allemande est basé sur l'utilisation de lasers infrarouges afin de mesurer le rapport entre les quatre isotopologues du CO2. Pour la première fois, la température de CO2 dissout dans l'eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les organismes vivants connus.) thermale de trois sources différentes du bassin du Rhin (Le Rhin (Rhein en allemand, Rijn en néerlandais, Rhenus en latin, Rein en romanche) est un fleuve d'Europe long de 1 230 kilomètres et drainant un bassin de 185 000 km2.) supérieur (une à Soultz/Alsace et deux autres à Bad Hombourg/Hesse) est mesurée par cette nouvelle méthode utilisant l'équilibre entre isotopologues CO2, CO2, COO et COO. Dans deux des trois cas, la température correspond à celle de l'eau à la surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a plusieurs acceptions, parfois objet géométrique, parfois frontière physique, et est souvent abusivement confondu avec sa mesure, sa...), tandis qu'à Soultz, la température est beaucoup plus élevée, reflétant une convection (La convection est un mode de transfert de chaleur où celle-ci est advectée (transportée-conduite, mais ces termes sont en fait impropres) par au moins un fluide. Ainsi durant la...) rapide de l'eau. La double mesure par spectromètre de masse et par instrument laser permet de conclure que l'analyse par l'instrument laser offre presque la même exactitude pour un temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.) d'échantillonnage (L'échantillonnage est la sélection d'une partie dans un tout. Il s'agit d'une notion importante en métrologie : lorsqu'on ne peut pas saisir un événement dans son ensemble, il faut effectuer des...) comparable.


Dépendance en température des réactions d'échange de deux équilibres isotopiques devant une photo du geyser d'Andernach (Allemagne), qui sert d'exemple d'une source du bassin du Rhin. Le point (Graphie) sur la courbe (En géométrie, le mot courbe, ou ligne courbe désigne certains sous-ensembles du plan, de l'espace usuels. Par exemple, les droites, les segments, les lignes polygonales et les cercles sont des courbes.) rouge (La couleur rouge répond à différentes définitions, selon le système chromatique dont on fait usage.) indique la comparaison entre mesure et calcul théorique à la température de source de Bad Hombourg (Hesse). Photos © I. Prokhorov

Après cette expérience démonstrative et très prometteuse, les chercheurs estiment qu'une évolution de l'instrument permettra d'atteindre dans un futur proche l'exactitude des spectromètres de masse tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) en réduisant le temps d'analyse de quelques heures (L'heure est une unité de mesure  :) à une dizaine de minutes ( Forme première d'un document : Droit : une minute est l'original d'un acte. Cartographie géologique ; la minute de terrain...). Le grand potentiel de la nouvelle méthode est lié au fait que la mesure est directe. En comparant seulement les abondances relatives de quatre espèces isotopiques, on peut en déduire la température d'équilibration sans aucune ambiguïté, ceci est démontré par la comparaison entre expérience et calcul théorique. La mesure directe est un avantage très important par rapport à la spectrométrie de masse (La spectrométrie de masse est une technique d'analyse chimique permettant de détecter et d'identifier des molécules d’intérêt par mesure de...) qui nécessite des informations et des calibrations supplémentaires. L'équipe estime que leur méthode permettra même de mesurer des composés isotopiques extrêmement rares tels que l'isotopologue CO2, qui n'est jusqu'ici jamais détecté.

Référence publication:
I. Prokhorov, T. Kluge, C. Janssen, Optical clumped isotope thermometry of carbon dioxide, Scientific Reports (2019) doi: 10.1038/s41598-019-40750-z

Contact chercheur:
Christof Janssen, LERMA-IPSL
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