A UV reference photometer for atmospheric trace gases : ozone and VOCs
Développement d'un photomètre UV pour des mesures de référence de gaz d'intérêt atmosphérique : ozone et COVs
Résumé
Accurate determination of absolute absorption cross sections for molecules of atmospheric interest is crucial for retrieving molecular concentrations from remote sensing measurements. The value of the absolute absorption cross section of ozone at 253.65 nm currently recommended as a reference for ozone concentration measurements has 2 % accuracy and presents possible discrepancies with regard to more recent studies. Therefore, we have designed a UV photometer operating at 253.65 nm in order to obtain absorption cross sections with accuracy better than 1 %. The photometer that we constructed during the thesis was tested on styrene, which is an aromatic volatile organic compound (VOC). VOCs as well as ozone are tropospheric pollutants with strong absorptions in the UV. The measurement of the absorption cross section of styrene is not only an ideal performance test; it also provides an important improvement over the previous value that suffers from an uncertainty in the several 10 % range. The strong absorptions of styrene and ozone require measurements to be performed at low pressures (<1 Torr) where non-linearities in pressure measurements can arise. In order to correct for these non-linear effects due to heating of the capacitive pressure gauges, the thermal transpiration of styrene has been determined. We therefore realized the first measurement of thermal transpiration for an aromatic molecule. Owing to a rigorous examination of uncertainties and corrections, we have shown that the accuracy of the photometer was below 1 %. The absorption cross section of styrene was measured to be 1.521E-17 cm^2 with an uncertainty of 0.6 % at the 95 % level of confidence.
La détermination de la section efficace d'absorption de composés atmosphériques est indispensable pour leurs mesures de concentration. Plus les valeurs de sections efficaces sont exactes, meilleure est la détermination des concentrations atmosphériques. À l'heure actuelle, la valeur de la section efficace d'absorption de l'ozone à 253,65 nm servant de standard pour la mesure de concentration de l'ozone est entachée d'une erreur de 2% et est controversée. Pour cette raison, nous avons développée un photomètre permettant d'obtenir des sections efficaces d'absorption avec une très bonne exactitude à 253,65 nm. Le but était d'atteindre une précision inférieure à 1 %. Le photomètre réalisé a été testé sur le styrène, un composé organique volatil (COV) aromatique. Les COVs comme l'ozone sont des polluants de la troposphère qui absorbent fortement dans l'UV. Outre son intérêt de molécule test, le styrène comme de nombreux COVs, a une section efficace d'absorption dans l'UV connue avec une mauvaise précision. La forte absorbance du styrène nous a obligé à travailler en basse pression (en dessous de 1 Torr). Dans ce domaine de pression, il apparaît une non-linéarité dans la mesure de pression que nous avons corrigée en mesurant la transpiration thermique du styrène. Nous avons donc obtenu la première mesure de transpiration thermique d'une molécule aromatique. Grâce à une estimation précise des erreurs et des corrections faites, nous avons montré que le photomètre réalisé atteignait bien une précision inférieure au %. Nous avons obtenu une section efficace absolue d'absorption du styrène de 1,521E−17 cm^2 avec une incertitude de 0,6 % pour un intervalle de confiance de 95 %.
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