Les implications politiques du réchauffement dû aux gaz à effet de serre: réduction, adaptation et base scientifique - 02/05

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1-Est ce qu'il est possible que des systèmes d'ingénierie puissent réellement atténuer les effets des gaz à effet de serre?
2-Est ce qu'il semble que les systèmes proposés puissent être implémentés avec des moyens techniques plausibles à un coût raisonnable?
3-Est ce que les systèmes proposés ont un effet, autre que celui recherché, qui puisse être négatif, et est ce que cet effet négatif peut être accepté ou traité?

La recherche et l'analyse exhaustive de la littérature n'est pas terminée, mais il a été possible de trouver de la documentation utile et de faire des premières estimations qui suggèrent des réponses positives à ces deux premières questions. Il semble donc approprié de continuer à considérer la gamme de possibilités de la géoingénierie et de rechercher des réponses à la question 3 ci-dessus. Dans presque tous les cas, la compréhension scientifique n'est pas suffisante.

Continuer davantage l'examen nécessiterait d'abord une compréhension plus détaillée des modèles théoriques et des analyses de la physique, de la chimie et de la biologie des systèmes géophysiques, géochimiques, climatiques et écologiques. Si ces analyses supplémentaires suggèrent que les réponses aux questions sont toujours positives, alors des expérimentations pourraient être effectuées. Ce ne serait pas des expériences d'atténuation à grande échelle, mais plutôt dans le but de répondre aux questions qui pourraient encore subsister après les analyses théoriques, par exemple des questions concernant les effets optiques et les propriétés des différents genres de poussières ou d'aérosols, la durée de vie et les propriétés de stimulation de nuages des aérosols de sulfate troposphériques, etc. Il est aussi nécessaire d'avoir plus de détails sur la conception, le développement et l'analyse du coût des systèmes de déploiement proposés, peut être en y incluant des expérimentations avec du matériel spécifique. De tels travaux donneraient beaucoup plus d'informations à partir desquelles décider si de tels systèmes pourraient être déployés à un coût raisonnable et s'ils seraient susceptibles de fonctionner comme suggéré par les évaluations préliminaires inclues ci-dessous.

Si les analyses théoriques, les expérimentations et les travaux de développement montrent que ces options d'atténuation continuent à tenir leur promesse, la possibilité d'un déploiement réel soulèverait encore d'autres problèmes. Le climat global et les systèmes géophysiques, géochimiques et biologiques examinés sont tous des systèmes fortement non linéaires impliquant l'interaction de beaucoup de systèmes annexes complexes. De tels systèmes sont susceptibles de manifester diverses formes d'instabilité, y compris du chaos dynamique, ainsi que divers effets latéraux inattendus. Ces possibilités doivent être sérieusement considérées avant le déploiement d'un système de réduction, et les risques impliqués évalués par rapport à d'autres alternatives.

Est ce que le résultat des tentatives d'atténuation du réchauffement dû aux gaz à effet de serre par l'utilisation d'un de ces systèmes de géoingénierie mettrait un système global dans quelque état inattendu et non désiré? Les effets qui ont été suggérés comme résultat possible...

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...du réchauffement lui-même, et qui pourraient résulter des tentatives pour l'atténuer, incluent un changement vers un état de glaciation et des modifications majeures des courants océaniques.

Nos modèles actuels et notre compréhension des systèmes géophysiques ne nous permettent pas de prédire de tels effets. Notre compréhension et modèlisations n'ont même pas permis jusqu'à maintenant de dresser la carte des états possibles du système. Nous pourrions avoir besoin d'une approche différente des modèles pour être capables d'y arriver.

On pourrait soutenir que, face à une telle incertitude, nous ne devrions pas considérer "bricoler" la seule terre que nous ayons. Cependant, nous ne manquons pas de compréhension sur ce sujet. La principale caractéristique de l'instabilité du chaos par exemple, est que les comportement d'états dont les conditions initiales sont seulement légèrement différentes peuvent être totalement différents. Ceci est fréquemment exprimé dans la déclaration "le battement d'aile d'un papillon peut changer le futur de la terre". Cependant, nous connaissons les effets de différents genres d'évènements sur le système géophysique et nous en connaissons beaucoup.

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On observe le phénomène d'hystérésis dans beaucoup de systèmes non linéaires simples. Dans ces cas, quand une variable physique est modifiée, le système change d'état d'une façon particulière, mais si la même variable physique retourne à sa valeur initiale, le système ne retourne pas en arrière; il change d'une manière différente. Donc tenter l'atténuation en diminuant la quantité de gaz à effet de serre dans l'atmosphère pourrait, en principe, amener le système dans une zone d'instabilité même si son augmentation ne l'a pas fait. Le problème auquel nous faisons face est que, étant donné que le système climatique est non linéaire et que nous ne comprenons pas son état spatial, toute action peut potentiellement entrainer une instabilité, et même une action à faible échelle n'est pas nécessairement moins susceptible de le faire qu'une action à grande échelle. À cause de la sensibilité possible des systèmes géophysiques à l'instabilité chaotique, nous devons procéder avec prudence dans n'importe quel effort de géoingénierie. Nous devons comparer la nature et la taille des actions proposées avec ce que nous savons au sujet de ce qui a déjà été observé dans le système comme résultat d'un stimuli similaire. Ceci nous donne un moyen de tester les actions proposées. Nous pouvons aussi apprendre la structure de l'état spatial du système géophysique par la théorie, la modélisation et des analyses de simulation combiné avec l'observation du système et son histoire, peut être en utilisant de petites expériences de stimulation que nous croyons être sures pour améliorer notre compréhension. Alors que l'histoire géologique fournit des preuves de ce qui semble être des changements d'état majeurs, il y a beaucoup de variations observées dans le système et ses stimulus qui ne semblent pas résulter en des changements d'état.

Améliorer notre compréhension sur ces sujets de cette façon peut nous permettre de prendre des décisions rationnelles sur les risques à prendre si nous désirons utiliser la géoingénierie ou d'autres moyens d'atténuation pour contrer un réchauffement produit par les gaz à effet de serre. Une prudence particulière doit être de mise parce que, bien que changer la chimie de l'atmosphère et la réflectivité globale ait un impact sur la température moyenne globale, leurs physiques correspondantes sont très différentes. La distribution géographique des effets pourrait aussi être très importante.
Le genre de démarches qui pourraient être entreprises incluent:
-La modélisation théorique et les analyses de simulation de la physique, de la chimie et de la biologie des systèmes géophysiques, géochimiques, climatiques et écologiques.
-L'étude de l'instabilité et du chaos potentiels induits.
-Des expérimentations à faible échelle pour déterminer les propriétés physiques, chimiques et biologiques où elles sont inconnues.
-La conception détaillée, le développement et l'analyse du coût des systèmes de déploiement proposés.
-L'étude d'évènements naturels apparentés pour comprendre leurs propriétés correspondantes, incluant les statistiques de leur occurrence.
-L'étude des effets annexes écologiques, géophysiques, géochimiques et atmosphériques possibles, incluant la considération de leur réversibilité.

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Augmentation de l'absorption du dioxyde de carbone par les océans
Les océans jouent déjà un rôle énorme dans l'établissement du climat de la planète, à la fois par le transport de la chaleur et de la vapeur d'eau et...

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...par l'absorption d'une grande partie du CO2 dû aux combustibles fossiles. L'estimation du puits de CO2 des océans varie de la valeur traditionnellement accepté d'environ 40% (par la réaction du CO2 avec les ions de carbonate sur toute la surface de l'océan, et d'après des modèles dérivés de ceux d'Oeschger et autres, (1975)), ce qui donne pour aujourd'hui à peu près 3 Gt C/an (3 milliards de tonnes de carbone par an), à la valeur plus faible de 0.6 Gt C/an récemment rapportée par Tans et autres, (1990). Aucun modèle réaliste du climat terrestre ne peut se passer de la simulation des océans.

Alors que le rôle des océans dans la modération de l'augmentation actuelle des combustibles fossiles dépend totalement du taux de dissolution et de l'alcalinité, le futur rôle potentiel de la biote des océans ne peut pas être ignoré. La quantité totale potentielle de carbone qui pourrait être utilisée par la photosynthèse dans les océans a été estimée à 35 Gt/an. Cependant, ce chiffre représente la fixation brute du carbone dans les océans; l'effet net sur l'atmosphère dépendra sur la circulation inverse dû à la décomposition et atteindra finalement un état stable. Les données des carottes glaciaires (Neftel et autres, 1982; Barnola et autres, 1987) montrent que, dans le passé, le niveau atmosphérique de CO2 a fluctué indépendamment des activités humaines, avec des concentrations de CO2 pendant les périodes de glaciation environ 30% inférieures à celles de l'ère pré industrielle. Une question clé est donc, est ce que cet état peut être atteint aujourd'hui?

En 1984, trois groupes de recherche indépendants ont publié des hypothèses sur ce phénomène (Knox et McElroy, 1984; Sarmiento et Toggweiler, 1984; Siegenthaler et Wenk, 1984). Chacun est arrivé à la conclusion que la clé réside dans la concentration de surface de nutriments dans les régions océaniques polaires. Dans des zones telles que le pacifique nord et l'océan antarctique circumpolaire, de hautes concentrations de nitrate et de phosphate (les ingrédients clés pour la croissance des plantes) ne sont pas utilisées. Le problème ne semblait pas venir de la lumière insuffisante ou du froid glacial, mais d'autres variables pas encore identifiées. Les modèles de 1984 ont montré que si ces nutriments étaient assimilés, la conversion du CO2 en carbone organique pourrait déjà justifier un signal de période de glaciation. Ces nutriments doivent être considérés comme une capacité chimique importante inutilisée des océans, à une échelle pouvant significativement affecter l'équilibre global du carbone. Une solution radicale à l'énigme du CO2 de la période glaciaire a été proposée par Martin et ses collègues (Martin et Fitzwater, 1988; Martin et Gordon, 1988; Martin, 1990; Martin et autres, 1990). Ces scientifiques ont réussit les premières mesures fiables du fer "dissout" à l'échelle nanomolaire dans les eaux océaniques grâce à l'évitement rigoureux du problème envahissant de la contamination. Ils ont de plus montré que l'addition infime de fer à la population naturelle de phytoplancton stimulait la photosynthèse et ont émis l'hypothèse que l'absence de fer limitait la croissance du phytoplancton dans ces zones. Donc des apports minimes de poussière atmosphérique pourraient déclencher la croissance du plancton et finalement réduire le CO2 atmosphérique. Enfin, les données des carottes de glace montrent que les périodes de glaciation, avec des continents secs et poussiéreux, sont caractérisés par un apport important de poussière dans les océans.

Le chemin pour l'utilisation contemporaine de ce potentiel océanique inutilisé est...

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...donc direct: l'addition d'infimes quantités de fer sur de vastes étendues de la surface des océans pour stimuler la croissance du phytoplancton a récemment largement attiré l'attention. La nature fragile de l'hypothèse, la présence d'autres facteurs limitatifs, la divergence entre la surface totale des océans impliqués dans la réaction naturelle avec l'atmosphère et la surface relativement petite (environ 16%) de la surface disponible pour la manipulation active de la concentration en fer appellent toutes à la prudence sur les espoirs de cette catégorie de phénomène. La circulation inverse des produits de décomposition du carbone fixé interdit la possibilité d'une application unique. Cependant ce concept apporte des questions utiles sur ce qui doit être considéré dans n'importe quelle discussion sur l'intervention active sur le cycle océanique du carbone. Ce fut dans cet état d'esprit que la fertilisation par le fer, ainsi que l'utilisation potentielle des macro-algues pour assimiler de grandes quantités de CO2, ont été examinées dans un atelier récent du NRC (Conseil National de la Recherche) sur la production d'algues marines et l'assimilation du dioxyde de carbone (31 octobre 1990).

Les spécialistes du phytoplancton de l'atelier du NRC furent d'accord sur le fait qu'il est faisable de réduire l'augmentation du taux de CO2 atmosphérique grâce à la production améliorée des océans, résultant en un transport accru du CO2 de l'atmosphère vers l'océan. D'après les modèles existants, ils ont estimé que 2 Gt C/an supplémentaires peuvent être supprimés de l'atmosphère si la production est améliorée et que la plupart des nutriments sont assimilés. Parce qu'il est nécessaire que la concentration du fer soit à un niveau nanomolaires, ils ont prévu que le coût de la fertilisation par le fer serait faible.

Estimation des coûts
Il y a deux bases pour le coût de la fertilisation par le fer, une basée sur les travaux de Martin, et l'autre sur l'atelier du NRC mentionné ci-dessus.
Les travaux de Martin indiqueraient que la fertilisation complète des océans du sud pourrait être accomplie avec seulement 0.43 millions de tonnes de fer par an, quantité nécessaire pour supprimer 2 à 3 Gt C/an (Martin, 1990). Martin ne donne pas de chiffres pour la surface devant être fertilisée et ne suggère pas de formule chimique spécifique pour le fer. L'atelier du NRC suggère que la fertilisation par le fer pourrait enlever en moyenne 1.8 Gt C/an durant une période de 100 ans et suggère une application de 1 à 5 millions de tonnes de fer par an sous forme de solution de chloride de fer (FeC12), ou "peut être sous d'autres formes", et donne comme surface à être fertilisée "approximativement 46 millions de km2".
Une estimation des coûts sera composée du prix des bateaux et de leur opération et du prix des produits chimiques, avec une certaine marge pour l'ensemble des opérations.
Pour les besoins de l'estimation, une zone de 2.6 millions de km2 divisée en...

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...bandes de 1.6 km de large sera considérée. Ceci donne 1.6 millions de Km à parcourir chaque année. Quinze bateaux, chacun parcourant 386 Km par jour (à une vitesse de 18.5 Km/h), 300 jours par an, parcourraient 1.6 millions de Km. En considérant le temps d'approvisionnement et autre, nous pouvons estimer une flotte de 20 bateaux de 10000 tonnes de capacité, se réapprovisionnant tous les 2 mois.

Si nous supposons un prix de 100 millions de $ par bateau, chaque bateau ayant un coût opérationnel journalier de 10000 $, nous obtenons un coût pour la flotte de 2 milliards de $, donnant un coût annuel (amorti sur 20 ans) de 100 millions de $ et un coût opérationnel annuel de 73 millions de $. Ceci donne un coût total de 173 millions de $ pour couvrir 2.6 millions de Km2. Pour 46 millions de Km2, le système doit être multiplié par 18, ce qui donne environ 3 milliards de $ par an. Dans l'océan antarctique nous devons prendre des marges généreuses pour les conditions météorologiques imprévues, utilisons un facteur 3, ce qui donne une estimation de 9 milliards de $ par an pour le coût des bateaux et de leurs opérations. À ceci nous pouvons ajouter 1 milliards de $ par an pour les opérations générales du système, ce qui donne un coût total des opérations de 10 milliards de $ par an.
À l'estimation de ces opérations nous devons ajouter le coût du fer. La forme de fer habituellement absorbée facilement par les organismes vivants est la forme ferreuse. Le composé facilement disponible le moins coûteux en grande quantité est le sulfate de fer. Les 0.43 millions de tonnes de Martin sont équivalents à environ 1.2 millions de tonnes de sulfate de fer, qui peuvent être acheté en gros à 10-15 $ par tonne (Chemical Marketing Reporter, 1991) pour un total annuel de 12 à 18 millions de $.
Le chlorure de fer, mentionné par l'atelier du NRC, est beaucoup plus coûteux que le sulfate de fer. Il peut être acheté en gros à 220 $ par tonne dans l'industrie chimique (Alfred M. Tenney, Eaglebrook, Inc., communication privée à Lynn Lewis, G.M. Research, 11 avril 1991). La quantité nécessaire de 1 à 5 millions de tonnes d'après l'atelier du NRC donne un coût pour le chlorure de fer de 0.22 à 1.1 milliards de $ par an.
La gamme de coût des produits chimiques pourrait donc se situer entre 0.012 et 1.1 milliards de $ par an. Cependant, le sulfate de fer et le chlorure de fer sont relativement bon marché parce qu'ils sont les sous-produits de la dissolution par de l'acide. La disponibilité actuelle du chlorure de fer pour l'Amérique du nord est estimée à environ 150000 tonnes d'équivalent fer, et la quantité mondiale peut être d'1 million de tonnes (Alfred M. Tenney, Eaglebrook, Inc., communication privée à Lynn Lewis, G.M. Research, 11 avril 1991). Le prix du chlorure de fer pour une quantité de 1 à plusieurs millions de tonnes par an est donc difficile à estimer.
Si nous supposons que le prix sera inférieur à 100 fois le prix actuel du chlorure de fer, nous obtenons un coût total pour le fertilisant de 0.01 à 100 milliards de $ par an.

En y ajoutant le coût des opérations, nous obtenons une gamme de prix de 10 à 110 milliards de $ par an. Ceci enlèvera de 1.8 à 3 Gt C (en utilisant la gamme à la fois de Martin et de l'atelier du NRC), équivalent à la réduction de 7 à 11 Gt CO2/an. Ce qui donne une gamme de 1 à 15 $ par tonne par an.

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D'autres idées sont susceptibles d'amener des moyens plus automatiques et moins coûteux pour la distribution du fer.

Quelques problèmes
Peng et Broecker (1991) prétendent que, basé sur des considérations dynamiques, le succès du projet de fertilisation par le fer est improbable comme pompe continue de CO2 de l'atmosphère vers les océans à grande échelle. Ils soutiennent que le transport vertical dans l'antarctique est suffisamment engorgé pour que le flux de CO2 de l'atmosphère vers l'océan sature rapidement les eaux de surface en CO2 et, parce que la circulation ne déplacerait pas les eaux saturées assez rapidement, le transfert du CO2 de l'atmosphère vers l'océan s'arrêterait. Ceci laisserait sans doute sur place le stock de CO2 (comme carbone) représenté par la culture permanente d'algues aussi longtemps que la fertilisation continuerait. Ils estiment que 100 années de fertilisation résulteraient en un abaissement de la concentration atmosphérique de 30 ± 15 ppm. Il est possible que des expérimentations à faible échelle puissent être conçues pour tester ceci en fertilisant une zone limitée pendant une certaine période et en étudiant les résultats. Les récentes observations rapportées par De Baar et autres (1990) suggèrent que l'absence de fer puisse ne pas être le seul facteur limitatif dans la croissance du phytoplancton antarctique.

En plus de l'utilisation de micro-algues pour assimiler du CO2, utiliser des macro-algues (algues marines) a aussi été proposé. L'avantage des macro-algues inclut un taux de sédimentation plus rapide, ainsi que leur valeur comme combustible de biomasse et comme source de produits chimiques et de nourriture. Cependant, leur utilisation nécessiterait la construction d'un système de production pour obtenir de grandes surfaces de culture.

Il y a de nombreuses questions se rapportant à l'utilisation de micro et macro-algues auxquelles répondre avant que de meilleures estimations sur les coûts de réduction du carbone par ces systèmes puissent être faites. Les aspects clés associés avec les prédictions de coûts incluent le taux de productivité dans les océans, le recyclage des nutriments, la limitation des micro nutriments (spécialement le fer) et le détail de la conception d'un système pour la fourniture contrôlée de millions de tonnes de fer sur de larges portions d'océan.

Comme pour les autres options d'atténuation, des questions environnementales importantes soulevées par l'utilisation d'algues pour assimiler le CO2 incluent celles concernant les effets sur la chaîne alimentaire, l'introduction et la prolifération d'espèces non indigènes (spécialement les macro algues), la décomposition anaérobique des algues en CH4 et la formation possible de grandes quantités d'haloformes et de sulphate de diméthyl. Comme noté ci-dessous dans la discussion sur la stimulation des nuages, on peut s'attendre à ce que les organismes naturels dont la croissance serait stimulée par l'apport de fer produisent du sulfide de diméthyl, qui formerait des noyaux de condensation de nuage. Aux endroits et au moment où il y a peu de nuages, la surface fertilisée pourrait devenir plus nuageuse, ce qui aurait un effet de refroidissement supplémentaire. Il y a aussi des inquiétudes sur les possibilités de créer une couche anoxique à faible profondeur.

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Masquer une certaine quantité de lumière solaire
Une autre option d'atténuation du réchauffement global serait d'essayer de contrôler l'équilibre global des radiations en limitant la quantité de radiations solaires. Ceci pourrait être fait en augmentant la réflectivité de la terre, c'est à dire l'albédo. Des propositions pour augmenter la blancheur des toits et autres surfaces auraient quelques effets, mais seulement une partie des radiations solaires atteignent la surface de la terre et un changement résolu de l'albédo aurait plus d'impact s'il était effectué plus haut dans l'atmosphère. D'après Ramanathan (1988), une augmentation de l'albédo planétaire de seulement 0.5% est suffisante pour diminuer de moitié l'effet d'un doublement de CO2. Placer un écran dans l'atmosphère ou sur l'orbite basse de la terre pourrait prendre différentes formes: ceci pourrait impliquer changer la quantité ou la nature de la couverture nuageuse, il pourrait prendre la forme d'une couverture ininterrompue ou il pourrait être divisé entre de nombreux "miroirs" ou un nuage de poudre. Les caractéristiques préliminaires de certaines des possibilités qui pourraient être considérées sont présentées ci-dessous.

Estimation des paramètres de l'écran
Le calcul suppose ici que l'écran soit une couverture continue. Notez que si les particules de poussière sont d'une taille comparable à la longueur d'onde de la lumière, les effets d'éparpillement devront être pris en compte.
Étant donné le rayon équatorial de la terre et une orbite basse nominale de 222 Km, le rayon de la sphère dans laquelle la couche, ou parasol, doit être située est de 6.6 x 10 puissance 3 Km (6600 Km). La surface de la sphère pour envelopper complètement la terre est donc de 5.5 x 10 puissance 14 m2 (550000 milliards de m2). Pour compenser entièrement le réchauffement dû au doublement des gaz à effet de serre dans l'atmosphère, le parasol doit couvrir 1% de la surface ou 5.5 x 10 puissance 12 m2 (5500 milliards de m2).
Si le parasol doit avoir une épaisseur de 1 micron, 5.5 x 10 puissance 6 m3 (5.5 millions de m3) de matériaux sont nécessaires. Avec une densité de 1g/cm3, 5.5 x 10 puissance 9 Kg (5.5 millions de tonnes) devraient être placés dans l'orbite basse. Le coût d'établissement d'un tel projet est dominé par le coût de mettre le parasol en orbite. En prenant comme coût optimiste 1 $/Kg, le coût du placement du matériel en orbite serait de 5500 milliards de $. Un tel parasol atténuerait les effets d'environ 1000 Gt d'émissions de carbone, pour un coût de 5.5 $/t C ou environ 1.5 $/t CO2. Pour un coût actuel de lancement de 10000 $/Kg, le coût serait de 55 $/t C ou environ 15 $/t CO2.

L'hypothèse qu'une diminution de 1% de la lumière solaire est équivalente à l'atténuation de l'effet de serre de 1000 Gt de carbone (ou 4000 Gt de CO2) est un point majeur pour toutes les estimations suivantes.
L'augmentation de Ramanathan de 0.5% de l'albédo de la planète citée ci-dessus comme étant suffisante pour diminuer les effets du doublement de CO2 est utilisée ici et ci-dessous comme ayant un effet d'écran de 1% pour les besoins des estimations. En utilisant les figures 3.1 et 3.2 du rapport du comité de synthèse (partie 1), nous voyons que le changement total des gaz à effet de serre depuis...

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...avant la révolution industrielle jusqu'à 2030 pourrait être équivalent à environ 3.3 W/m2, ou légèrement moins que 1% des 349 W/m2 de l'insolation.

Miroirs spatiaux
Un seul miroir serait ingérable et créerait probablement des problèmes dans les régions où son ombre se situerait quand il se déplacerait autour de la terre. On pourrait cependant considérer une série de miroirs plus petits, chacun manoeuvré comme une voile solaire dans l'orbite de la terre. En changeant son inclinaison par rapport au soleil (et donc la pression des radiations solaires sur sa surface), l'orbite de chaque voile pourrait être contrôlée.

Si chaque voile fait 108 m2 de surface (une grande voile à gérer), 55000 voiles de ce genre seraient nécessaires. Cela semble être un problème de contrôle très difficile voire ingérable. Cependant, s'il est besoin d'atténuer l'équivalent de 8 Gt CO2 (les émissions de gaz à effet de serre américaines en 1998), un parasol 500 fois plus petit, équivalent à 110 voiles, serait nécessaire. En prenant les 1.5 $/t CO2 atténué, le coût serait de 12 milliards de dollars; aux prix actuels des lancements, le coût serait de 120 milliards de dollars.

La question de la périodicité du remplacement des voiles (à cause des dommages résultants des collisions avec des débris) n'a pas encore été examinée. Si le remplacement de toutes les voiles était nécessaire chaque année, les chiffres ci-dessus seraient annuels; le coût pour une période de 40 ans serait 40 fois supérieur, et similaire pour d'autres taux de réapprovisionnement. En tenant compte de cette possibilité et en utilisant les coûts précédents de 1.5 à 15 $/t CO2, l'estimation des coûts se situe entre 0.1 $ et 15 $/t CO2/an.

Poussière dans l'espace
Le parasol spatial pourrait être conçu comme un nuage de poussière orbital. Pour minimiser les coûts de lancement, de très petites particules sont nécessaires. Cependant, à cause de la pression des radiations solaires, de petites particules sont éjectées hors de l'orbite ou dans l'atmosphère en très peu de temps; il est à peine possible de placer des particules en orbite (Mueller et Kessler, 1985). Peale (1966), cité par Mueller et Kessler (1985), donne 1500 cm2/g, ou l'équivalent de particules d'oxyde d'aluminium de 3 microns comme limite en-dessous de laquelle cet effet radical donne à la poussière une faible durée de vie. Un nuage réflectif de fine poussière en orbite ne semble pas être réalisable, et les coûts de lancement pour de grosses particules semblent être trop élevés.

Poussière stratosphérique
Bien que l'option de la poussière dans l'espace ne semble pas être judicieuse, les calculs du temps de maintient de poussières de 0.2 micron au-dessus de 20 à 40 Km sont de...

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...l'ordre de 1 à 3 ans (Hunten, 1975). Il semble généralement accepté que les aérosols volcaniques restent dans l'atmosphère pendant plusieurs années (Kellogg et Schneider, 1974; Ramaswamy et Kiehl, 1985). Un écran pourrait être créé dans la stratosphère en ajoutant plus de poudre à la poussière naturelle stratosphérique pour augmenter sa réflectivité solaire nette.

Une alternative à la poudre est l'aérosol d'acide sulfurique, l'autre composant naturel principal de la brume stratosphérique. La poudre semble être un meilleur choix parce qu'elle est similaire à la poussière du sol naturel et ainsi ne devrait pas avoir d'effet visible au niveau du sol comme elle tombe progressivement à travers la troposphère et est entraînée par la pluie (d'autres effets possibles sont indiqués ci-dessous). Cependant Budyko (1982) suggère l'utilisation d'aérosols d'acide sulfurique créés par le brûlage de soufre, résultant en dioxyde de soufre (SO2) qui absorbera automatiquement l'eau de l'atmosphère entraînant des gouttelettes de solution d'acide sulfurique. Il donne 600000 tonnes d'acide sulfurique comme poids nécessaire pour réduire les radiations totales de 1%. Comme nous le verrons, c'est moins d'1 dixième de la quantité estimée de poudre. Budyko signale que la quantité de soufre nécessaire pour être brûlée dans l'atmosphère pour produire l'aérosol est de 200000 tonnes, ou peut être même seulement 40% de cette quantité, en fonction de la quantité d'eau qui pourrait être absorbée de l'air. Les coûts pourraient donc être de seulement 1/7 à 1/3 de ceux estimés pour l'acide sulfurique. Il estime aussi la durée de vie de l'aérosol dans la stratosphère à 2 ans. Dans tous les cas, les besoins maximals de Budyko sont bien moindres que ceux que nous utilisons ci-dessous pour estimer le coût des matériaux et de leur mise en place (le coût du soufre est d'environ 0.1 $/Kg et nous supposons qu'il est de moins de 0.5 $/Kg pour la poudre). Le coût de l'écran utilisant un aérosol d'acide sulfurique dans la stratosphère serait moindre que ceux estimés ci-dessous pour la poudre si nous utilisons les estimations de Budyko.

La quantité de poussière naturelle et due à l'homme émise dans l'atmosphère est (d'après les citations de Toon et Pollack, 1976) d'environ 1 à 3 x 10 puissance 12 Kg/an (1 à 3 millions de tonnes/an). C'est 100 à 300 fois la quantité proposée pour être ajoutée à l'atmosphère.

Estimation des quantités
Ramaswamy et Kiehl (1985) estiment qu'une charge d'aérosol de poudre de 0.2 g/m2 avec un rayon de 0.26 microns pour la poudre augmentent l'albédo de 12%, résultant en une diminution de 15% du flux solaire atteignant la surface. Puisqu'un changement du flux solaire de 1% environ est nécessaire, et que leurs figures 13 et 15 suggèrent qu'avec cette charge les effets de la poudre peuvent être raisonnablement extrapolés linéairement vers le bas, les estimations seront faites en utilisant une charge de poudre de 0.02 g/m2 avec un rayon de particule de 0.26 microns.

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Ramaswamy (dans une communication privée) fait remarquer que leur modèle ne tient pas compte des nuages. Avec une charge de poudre importante ce n'est probablement pas très important parce que l'épaisseur de la poudre est élevée. En extrapolant vers le bas d'un ordre de magnitude, l'augmentation de l'albédo dû aux nuages pourrait être importante. Un facteur de 2 pourrait être utilisé, mais des calculs minutieux devraient être effectués. Il semble clair que la quantité de poudre nécessaire est nettement plus faible que 0.2 g/m2 dans les calculs de Ramaswamy et Kiehl, qui produisent une diminution de 15% du forçage radiatif. La charge nécessaire pourrait être légèrement supérieure aux 0.02 g/m2 utilisés ci-dessous pour obtenir un changement de 1% du forçage radiatif. Cet effet peut sans doute être étudié en utilisant des modèles de climat global. Ceci élargira la gamme d'incertitudes sur les coûts du système, mais il semble probable que les coûts sont entre le minimum calculé par le comité et 10 fois cette valeur.

En utilisant 0.02 g/m2, la masse de poudre nécessaire pour atténuer l'effet de 1000 Gt C dans l'atmosphère (4000 Gt CO2) est de 10 puissance 10 Kg (10 millions de tonnes). Un kilogramme de poudre dans la stratosphère réduit donc l'effet de serre dû à environ 100 t C dans l'atmosphère. Pour atténuer l'effet de l'apport de gaz à effet de serre en 1989 aux États-Unis (8 x 10 puissance 9 tonnes, 8 milliards de tonnes), 2 x 10 puissance 7 Kg (20 millions de tonnes) de poudre seraient nécessaires.

La poudre, dans les modèles de Ramaswamy et Kiehl, est distribuée uniformément dans la stratosphère autour du globe entre 10 et 30 Km. L'effet réel sur le forçage radiatif d'une distribution globale de poudre additionnelle serait plutôt plus important à faible altitude qu'à haute altitude parce que la lumière solaire est plus efficace à cet endroit pour des raisons géométriques. Ça diminuerait légèrement les gradients de température entre l'équateur et le pôle et pourrait avoir un certain effet sur l'intensité du climat. Cet effet peut sans doute aussi être étudié avec des modèles climatiques globaux.

Effets annexes possibles
Cette poudre réchauffe la stratosphère, et l'effet d'un tel réchauffement est inclut dans les calculs de Ramaswamy et Kiehl (1985). Un effet possible de ce réchauffement pourrait être le changement de la chimie atmosphérique en augmentant ou détruisant l'ozone stratosphérique. De la poudre stratosphérique additionnelle pourrait fournir une zone supplémentaire dans laquelle des composés de chlore pourraient être absorbés, augmentant peut être ainsi le taux de destruction de l'ozone stratosphérique. Dans la stratosphère antarctique, pendant l'obscurité hivernale, des réactions chimiques impliquant des composés de chlore dérivés de la cassure des CFC se produisent à la surface des cristaux de glace. Ces réactions, qui ne se produisent pas sans la présence de surfaces, produisent d'autres composés de chlore qui, quand relâchés et photolysés (cassés par l'action du soleil) par le soleil au printemps et en été, produisent des produits chimiques qui détruisent l'ozone.
Les expériences en laboratoire aux températures stratosphériques semblent montrer que...

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...des réactions similaires se produisent à la surface des solutions d'acide sulfurique (et sans doute se produiraient à la surface de l'acide sulfurique et de particules de poussière), mais sont 100 à 1000 fois plus lentes (Tolbert et autres, 1988). Étant donné l'alternance rapide du jour et de la nuit aux latitudes moyennes, par rapport au cycle de 6 mois des pôles, ces réactions sont estimées concourir actuellement à une diminution de 1% de l'ozone. Cependant, en présence de concentrations améliorées d'acide sulfurique (ou sans doute de poussière) dans la stratosphère, les réactions pourraient devenir beaucoup plus importantes.

L'éruption volcanique du El Chichon en 1982 est estimée avoir relâché 1.2 x 10 puissance 10 Kg (12 millions de tonnes) de composés de soufre, comparé aux 10 puissance 10 Kg (10 millions de tonnes) de poudre ou d'aérosols discutés ci-dessus, apportant une concentration de 0.03 g/m2, comparé avec l'objectif de 0.02 g/m2 discuté ci-dessus, environ 10 fois la concentration d'origine de 0.002 g/m2. Après cette éruption, la concentration d'ozone de son panache dans la stratosphère a diminué d'environ 20%. Cependant, puisque le volcan a aussi émis d'énormes quantité d'acide chlorhydrique (HCI) (équivalent à 9% de l'HCI existant dans toute la stratosphère), il est maintenant clair que telle diminution a été causée par les réactions impliquant la poussière et l'aérosol, et que telle autre a été due à l'augmentation de CI due au HCI (Hoffman and Solomon, 1989).

Il apparaît que la destruction de l'ozone stratosphérique due à des réactions chimiques à la surface de la poudre ou des aérosols ajoutés dans la stratosphère est un effet indésirable possible qui doit être considéré et compris avant que l'utilisation de cette option possible de réduction soit envisagée.

Un rapport du Comité sur la Recherche Nationale (1985) cite des notes de Cadle et autres (1976) et Mossop (1963, 1965) qui donnent la quantité de particules de silicate de l'éruption du Mont Agung de 1963 avec une taille de 0.2 à 2 microns comme étant de 10 puissance 10 Kg (10 millions de tonnes), à peu près la quantité que le comité a estimé devoir être ajoutée. La demi durée de vie de cette poussière n'est pas mentionnée, mais la durée de vie d'un aérosol de sulfate avec une taille de 0.2 à 0.45 microns et une hauteur de colonne de 23 Km est donnée comme étant d'environ 1 an, concordant avec l'estimation basse du comité.

Notez que l'on peut s'attendre à ce que la poudre produise des effets optiques visibles, tels que des couchers de soleil spectaculaires, comme dans le cas de la poussière volcanique.

Scénario de distribution
Canons maritimes
Un canon de 400 mm tirant verticalement pourrait mettre un obus pesant environ 1 tonne à une altitude de 20 Km. Avec une charge propulsive plus importante, quelques sacrifices sur le poids, ou l'utilisation de sabots (un appareil fixé à l'obus pour qu'il s'adapte correctement au fût du canon), de plus hautes altitudes pourraient être obtenues. Notez que n'importe quel technologie de lancement pourrait être utilisée, mais, en connaissant beaucoup moins au sujet d'appareils tels que les canons à rails, l'estimation du système et des coûts basée sur des technologies existantes de lancement a semblé être le meilleur choix.