Du méthane dans l’atmosphère terrestre


Spécialiste de la spectroscopie dans l’infrarouge, il est le premier à détecter la présence de méthane et de monoxyde de carbone dans l’atmosphère terrestre, puis à dresser de véritables atlas du spectre solaire. Et il dote l’Université d’un instrument remarquable : un spectrographe installé à 3580m d’altitude au Jungfraujoch (Alpes Suisses).

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uand Marcel Migeotte obtient son doctorat en physique à l’Université de Liège en 1933, l’étude de l’atmosphère terrestre n’est pas vraiment une priorité. On sait bien sûr qu’elle est composée d’azote (surtout), d’oxygène et d’argon, ses trois principaux constituants. Ajoutons-y quelques traces de vapeur d’eau et de CO2 pour faire bonne mesure ; l’ozone, quant à lui avait été découvert au tournant du siècle. Du reste, le jeune docteur ne s’y intéresse guère non plus ! Fraîchement diplômé, il part à Paris, à l’Institut d’Optique, pour y décrocher un autre diplôme, celui d’ingénieur-opticien cette fois. Une double formation qu’il faut souligner parce qu’elle va profondément influencer le reste de sa carrière : Migeotte est un physicien mais aussi un ingénieur, particulièrement un opticien qui n’aura de cesse d’améliorer les instruments avec lesquels il travaille.

Pour l’heure (1934-1935), Marcel Migeotte est aux Etats-Unis, à l’université du Michigan, où il se spécialise dans l’infrarouge, une autre base, après l’optique, de ses travaux futurs. Rentré à Liège, il occupe un poste d’assistant et s’emploie naturellement à y développer un laboratoire de spectroscopie infrarouge. Il ne se contente cependant pas d’utiliser un spectrographe existant mais il met lui-même au point un appareil avec un pouvoir de résolution élevé. Il utilise alors cet instrument pour observer le soleil depuis l’observatoire de Cointe (Liège)… pendant les années de guerre. Ses premiers résultats obtenus, certes modestes, concernent le spectre de la vapeur d’eau.

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L'observatoire de Cointe en 1952. La tour de gauche ne comporte ni télescope ni coupole. On peut y voir un caisson qui abritait le coelostat envoyant la lumière du soleil dans les caves du bâtiment juste à droite où se trouvait le spectrographe (Crédit : Centre d'Histoire des Sciences et des Techniques, ULiège)

La découverte du méthane

Il devra attendre l’après-guerre pour asseoir sa renommée. Il est alors (1947-1948) visiting professor à l’université de Columbus (Ohio, USA) où il découvre les progrès réalisés pendant la guerre par les Américains dans les techniques infrarouges. Parallèlement aux cours d’optique et d’électricité qu’il dispense aux jeunes Américains, il nourrit le spectrographe de l’Université de Columbus des rayons du soleil. Et il fait une double découverte : il y a du méthane (CH4) et du monoxyde de carbone (CO) dans l’atmosphère de la terre ! Le but de Migeotte n’est pas, semble-t-il, l’étude de l’atmosphère terrestre mais bien la composition de celle du soleil. Mais les rayonnements en provenance du soleil traversent l’atmosphère terrestre, d’où la présence dans le spectre solaire de ce qu’on appelle des raies, des bandes d’absorption telluriques… qui livrent ainsi la composition de l’atmosphère qui entoure la terre.
Pour le méthane, explique Eric Gosset, astrophysicien à l’Université de Liège, Marcel Migeotte est sûr de son interprétation. Pour le CO, il hésite car l’Ohio est un état très industriel et il pense qu’il pourrait s’agir simplement d’une pollution locale (anthropique); il ne publie d’ailleurs à ce moment qu’un entrefilet sur le sujet. Une hésitation tout à son honneur mais qui se révèlera inutile : il montrera d’ailleurs plus tard, que le CO est bel et bien présent dans notre atmosphère et pas seulement au-dessus de l’Ohio, à la sortie des cheminées d’usines! ».

La découverte du méthane fait du bruit. Pourtant, comme c’était encore souvent le cas à l’époque, elle est relatée en quelques lignes seulement (une cinquantaine !) dans une lettre à l’intitulé on ne peut plus explicite adressée à The Physical Review (1). Un texte court, clair (un article plus détaillé suivra dans The Astrophysical Journal (2)), dont on comprend aujourd’hui toute l’importance historique quand on sait le rôle joué par le méthane dans le réchauffement climatique ! Dans le texte, il précise même la date à laquelle il voit pour la première fois les raies de méthane : le 10 janvier 1948, une date qu’il faudrait peut-être retenir… En 1950, il publie avec Lucien Neven (Observatoire royal d’Uccle) une lettre confirmant l’omniprésence de CO (3).

migeotte4 La station scientifique du Jungfraujoch en Suisse (Crédit : Institut Belge d’Aéronomie Spatiale)

L’atlas du spectre solaire

De retour à Liège, Marcel Migeotte perfectionne son spectrographe infrarouge et continue surtout à ne penser qu’au spectre infrarouge du soleil et, pour mieux étudier celui-ci, il installe l’appareil à la Station scientifique internationale du Jungfraujoch, en Suisse, à 3.580 m d’altitude. «  C’est une avancée décisive, s’exclame Jean-Pierre Swings, Professeur Honoraire de l’Université de Liège, car il ne faut pas oublier qu’à l’époque, il n’y a pas encore de satellites et que l’essentiel des observations se fait toujours depuis le sol -et les observatoires ne sont le plus souvent pas construits en altitude- ou, au mieux, à partir de ballons envoyés dans l’atmosphère. En installant son spectrographe au Jungfraujoch, Migeotte réduit considérablement l’impact de l’atmosphère terrestre (moins de bandes d’absorption telluriques et surtout une concentration en vapeur d’eau bien plus faible). C’est à ce moment, lors des années 1950 et 1951, qu’il étudie le plus précisément le spectre solaire, particulièrement pour des longueurs d’onde situées entre 2,8 et 23,7 microns. Des observations qu’il fera avec Lucien Neven de l’Observatoire Royal de Belgique. » Le résultat ? L’édition, en 1956 d’un Atlas Photométrique du Spectre Solaire (4).
L’ouvrage comporte 123 planches et recense 3624 raies d’absorption. « Il va rester pendant longtemps la référence en la matière, précise Eric Gosset. Grâce à cela, la connaissance de l’atmosphère solaire et de l’atmosphère terrestre va faire un bond spectaculaire. Et plus encore qu’il ne l’imaginait sans doute à l’époque car, à partir de 1958, le laboratoire du Jungfraujoch va être doté d’un spectrographe amélioré et une présence des observateurs va être assurée de manière intensive tout au long de l’année et Migeotte d’abord, mais surtout les divers collaborateurs qu’il a formés à Liège, vont continuer les mesures. Le laboratoire existe encore aujourd’hui et est en grande partie automatisé.  » Ce sera d’abord un autre atlas en 1963 et ensuite, l’Atlas du spectre solaire de 3000 à 10000 angströms dû à Luc Delbouille, Ginette Roland (tous deux de l’Université de Liège) et Lucien Neven, nouvelle référence pour les travaux de spectroscopie sur le soleil.

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Le spectroscope conçu par Marcel Migeotte, avec lequel il a réalisé le premier atlas du spectre solaire. Il est ici sur le banc optique qui se trouve dans les caves de l’Observatoire de Cointe. (Crédit : Institut d’Astrophysique de Liège)

 

Mais l’influence de Marcel Migeotte se marque encore d’une autre manière. Car il ne s’agit plus simplement de repérer des molécules de gaz dans l’atmosphère terrestre, il s’agit de suivre l’évolution de leur concentration dans le temps. « Grâce à l’initiative de Marcel Migeotte, puis au travail de ses successeurs, l’Université de Liège et la communauté scientifique ont ainsi en leur possession des décennies de résultats, et cela représente une série temporelle exceptionnelle. C’est ce qui a permis, par exemple, à nos chercheurs (sous la houlette de R. Zander), de mettre tout d’abord en évidence la présence d’acide fluorhydrique dans notre atmosphère, preuve, indirecte mais claire, que les fréons (CFC et HCFC) y étaient transportés, s’y dissociaient et que les atomes de chlore ainsi libérés détruisaient ensuite la couche d’ozone. Il leur a été ainsi possible de suivre l’évolution des concentrations en fréons dans l’atmosphère terrestre et de voir l’effet positif des mesures politiques sur la couche d’ozone. » Une tradition d’étude de notre atmosphère qui s’est poursuivie jusqu’à aujourd’hui avec la mise en évidence récente par l’équipe actuelle, d’un accroissement d’éthane dû à l’extraction des gaz de schistes ! (Lire l’article : Un note salée poour le gaz de schiste)

Un texte rédigé par Henri Dupuis


Références scientifiques

(1) Spectroscopic Evidence of Methane in the Earth’s Atmosphere, Marcel V. Migeotte, The Physical Review, Vol. 73, N°5, March 1, 1948, p.519.

(2) Methane in the Earth’s Atmosphere, Marcel V. Migeotte, Astrophysical Journal, Vol. 107, 1948, p.400.

(3) Détection du monoxyde de carbone dans l’atmosphère terrestre à 3580 mètres d’altitude, Marcel Migeotte, Lucien Neven, Physica, XVI, no.4, 1950, p.423.

(4) The solar spectrum from 2.8 to 23.7 microns, Part I: Photometric Atlas, M.V. Migeotte, L. Neven, J.W. Swensson, Mém. Soc. Roy. Sciences de Liège, Special volume no.1, Ed. Ceuterick (Louvain), 1956.


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Eric Gosset

Si Eric Gosset a toujours été attiré par la physique, son dévolu se porte au départ sur le nucléaire et l’électronique. La passion pour l’astrophysique est plus tardive : il aura fallu attendre l'année de rhétorique et les deux années de candidature en sciences physiques, l’assistance à de nombreuses conférences, notamment de la Société Astronomique de Liège et des virées nocturnes avec un ami à observer les constellations pour qu’elle s’impose. Licencié en physique de l’Université de Liège en 1978, il devient pendant un an l’élève assistant puis l’assistant de l’astrophysicien Léo Houziaux, avant d’obtenir le statut, dans le groupe de J.P. Swings, de chercheur au F.R.F.C. (Fonds de la Recherche Fondamentale Collective) en janvier 1980.

Après avoir passé plusieurs années à travailler au développement d’un instrument pour acquérir des spectres d’étoiles dans l’infrarouge très proche, domaine encore peu exploré à l'époque (projet dont le financement sera arrêté), Eric Gosset réoriente ses recherches vers ces noyaux de galaxies lointaines et très énergétiques que sont les QUASARs (QUAsi-Stellar Objects) qui deviennent son sujet de doctorat. En décembre 1987, il défend sa thèse sur la distribution spatiale des quasars, avec une thèse annexe sur la variabilité des étoiles de type Wolf-Rayet.

C’est au cours d’un séjour post-doctoral de 3 ans à Munich, au quartier général de l’ ESO, qu’Eric Gosset entre sérieusement dans l’univers des étoiles massives et des Wolf-Rayet, univers qu’il ne quittera plus depuis. De retour à l’Université de Liège, il obtient un poste de chercheur qualifié au FNRS en 1993. Il passe son agrégation en 2007, et devient maître de recherches au FNRS en 2008. Il donne un cours sur l'analyse des séries temporelles en astronomie.

Consulter les publications scientifiques d'Eric Gosset


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Jean-Pierre SWINGS

Jean-Pierre Swings est Professeur Honoraire ( astrophysique spatiale ) à l'Université de Liège, où il a obtenu ses diplômes ( ingénieur-physicien en techniques spatiales, Docteur en sciences et Agrégé de l'Enseignement Supérieur ). Entre les deux derniers, il a passé trois années de post-doc au Joint Institute for Laboratory Astrophysics (Boulder, Colo.) ainsi qu'aux Hale Observatories (Pasadena, Californie ... son lieu de naissance ).

Ses sujets d'intérêt sont la physique solaire, les objets à raies d'émission et excès d'infrarouge, l'astrophysique extragalactique, la recherche spatiale, les (très) grands télescopes et leur instrumentation, ainsi que le système solaire et son exploration, Mars en particulier. Il a graduellement évolué de l'observation astrophysique à "l'astropolitique" en tant que Secrétaire Général de l'Union Astronomique Internationale (UAI), membre de nombreux comités de l'Agence Spatiale Européenne (ESA) et membre du Conseil de l'Observatoire Européen Austral  (ESO), où il a été fortement impliqué dans les comités relatifs à l'élaboration du Very Large Telescope et le choix de son site d'implantation. Il a été un des quatre fondateurs de la Société Européenne d'Astronomie (EAS).  Jean-Pierre Swings a aussi  été Président du European Space Sciences Committee (ESSC) de la Fondation Européenne de la Science (ESF), de mai 2007 à novembre 2014 et membre du Space Advisory Group (SAG) de la Commission Européenne (7ème programme-cadre).

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