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

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Changer l'abondance des nuages
Une étude a été entreprise pour examiner les différents facteurs qui seraient nécessaires pour augmenter suffisamment l'effet d'albédo de la couverture nuageuse globale pour équilibrer l'augmentation de température prédite pour un doublement du CO2. Dans ce but, la sensibilité de la température aux propriétés de différentes couches de nuages (hautes, moyennes et basses) a été calculée en utilisant un modèle radiation/convection.. De plus, une estimation des coûts a été effectuée. Ces processus d'amélioration sont réversibles et peu coûteux. S'il était déterminé qu'ils sont nuisibles ou si des programmes rentables étaient développés, ces mesures seraient arrêtées immédiatement.

Dès le départ on ne peut assez insister sur le fait qu'il y a d'énormes incertitudes associées avec ces exercices intellectuels. Un exemple typique est que des preuves indirectes nous apprennent que nous avons une compréhension très limitée du rôle de l'abondance des nuages parce qu'un réchauffement a accompagné l'accroissement mesuré de la couverture nuageuse pendant le siècle dernier. Par conséquent une meilleure compréhension du système est nécessaire avant que des opérations à grande échelle puissent être raisonnablement proposées.

L'effet climatique des nuages
Il y a plus longtemps, Reck (1978) avait étudié l'effet de l'augmentation de la couverture nuageuse et, utilisant un modèle atmosphérique radiation/convection, avait trouvé qu'une augmentation de 4 à 5% de la couverture de nuages bas serait suffisante pour compenser le réchauffement projeté pour un doublement du CO2 pré-industriel. Cette valeur est en accord avec celle de Randall et autres (1984), qui ont estimé qu'une augmentation de 4% de la quantité de stratocumulus marins, qui constituent la majeure partie des nuages bas au niveau global, était nécessaire. Malheureusement, beaucoup...

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...de suppositions ont été utilisées pour ces estimations, et pour comprendre ces suppositions et le rôle que les nuages pourraient jouer, les calculs de la sensibilité des nuages doivent être entrepris pour illustrer la gamme de température de surface pour les différentes suppositions sur les propriétés des nuages.

Dans ces calculs, le comité sur l'atténuation a utilisé la quantité et les propriétés optiques supposées montrées tableau Q1 et un albédo de surface global de 15.4%. Le modèle a 3 couches de nuages dans des conditions moyennes globales. On suppose que les nuages, une fois formés, auront les mêmes effets durant toute leur durée de vie et qu'ils auront des propriétés optiques identiques à celles des nuages bas actuels, qui sont supposées ne pas changer pendant le processus d'ensemencement. Malheureusement, ces suppositions comportent beaucoup d'incertitudes. Ces calculs de sensibilité montrent que les effets des nuages dépendent non seulement d'une partie d'un type de nuage donné, mais aussi de l'albédo de surface sous les nuages. Le rôle spécial des nuages bas et de ses effets en fonction de l'albédo de surface apportent des complications considérables parce que l'albédo de surface varie d'environ 4 à 20% au-dessus de l'eau jusqu'à 90% au-dessus de la neige immaculée ou de la glace (Hummel et Reck, 1979). Ceci signifie qu'une fois que le nuage est formé il peut commencer par avoir un effet de refroidissement et se retrouver dans une zone ou il pourrait produire un effet de refroidissement plus important ou moins important, avec même une faible possibilité d'un effet de réchauffement.

Albrecht (1989) (voir aussi Twomey et Wojciechowski, 1969) suggère que la réflectivité moyenne des nuages bas augmenterait si l'abondance des noyaux de condensation de nuages (NCN) était augmentée par l'émission de SO2.

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Pour tester la sensibilité de ce point du problème, les changements de la température de surface en fonction des diverses propriétés optiques ont été calculées et sont montrés tableau Q2. Dans un but de comparaison, la sensibilité des nuages de haute et moyenne altitude a aussi été incluse. Manifestement, les estimations dépendent fortement de la valeur supposée de la réflectivité solaire des nuages bas. Par exemple, un changement de 4% dans la valeur de la réflectivité serait suffisant pour changer la température de surface calculée de 3°C. Avec une sensibilité d'une telle ampleur, un potentiel important existe nettement pour des changements forcés, à condition qu'ils puissent être contrôlés et que des anomalies régionales importantes et des effets à longue distance incontrôlés ne soient pas créés.

Il y a aussi une dépendance sur la hauteur dans le domaine des radiations qui varie grandement avec la latitude et l'altitude (Ramanathan et autres, 1987). La variation d'une partie d'un nuage avec la latitude est montrée tableau Q3. Dans l'environnement actuel, il y a une plus grande probabilité d'avoir des nuages au-dessus de l'eau plutôt que des terres, avec plus de nuages au-dessus des terres l'après-midi et plus au-dessus de l'eau le matin. Ceci se produit parce que l'altitude des nuages et les propriétés optiques sont intimement liées à l'humidité et aux conditions physiques. Par exemple, le rôle d'un nuage à une altitude donnée est contrôlé par l'angle du soleil par rapport au zénith. Si le nuage se déplace plus au nord, on s'attend à ce que son effet de refroidissement diminue proportionnellement au changement du cosinus de l'angle du soleil par rapport au zénith. Comme on peut le noter d'après les cosinus listés tableau Q3, un nuage à 5° de latitude pourrait avoir une contribution environ double par rapport au même nuage à 65° de latitude. Beaucoup de caractéristiques moins prévisibles sont aussi cruciales (tel que le taux d'évaporation).

Reck (1978, 1979), utilisant un modèle basé sur celui de Manabe et Wetherald (1967), a aussi illustré l'effet de la hauteur des nuages. Ces calculs montrent un réchauffement dû aux nuages à haute altitude et un refroidissement dû à ceux à moyenne et basse altitude.

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Une erreur possible dans les estimations présentées ici est la supposition de la détermination de soit une altitude de nuage soit une température de nuage. Reck (1979) a montré une plus grande sensibilité du modèle à une température de nuage déterminée. Des comportements variés pourraient être observés dans l'atmosphère réelle. Avec tous les effets possibles de réchauffement et de refroidissement, il est clair que la présence de nuages naturels pourrait compliquer l'analyse des données obtenues pour tester le rôle de l'intervention humaine. Voir par exemple les expérimentations sur les nuages suggérées ci-dessous.

En gardant à l'esprit toutes les suppositions ci-dessus, il est proposé à la fois que les émissions de NCN devraient être effectuées au-dessus des océans à une altitude qui produira une augmentation de l'albédo des stratocumulus seulement, et que les nuages resteront aux mêmes latitudes au-dessus des océans où l'albédo de surface est relativement constant et faible. Comme noté figure Q1, une augmentation de l'albédo de surface, si le nuage devait se trouver au-dessus des terres, améliorerait seulement son effet de refroidissement. Ceci est vrai à condition que la latitude du nuage ne change pas, comme discuté précédemment.

Comment les noyaux de condensation de nuages peuvent changer le climat
Malgré le manque de connaissances sur les processus des nuages, la possibilité d'altérer les nuages a été considérée depuis longtemps. L'idée de l'ensemencement des nuages pour les besoins de l'agriculture est devenue populaire dans les années 50 et 60, mais à cause du manque de précision et les litiges qui en ont résulté, cela n'a pas été très réussi (voir, par exemple, Todd et Howell, 1985; Kerr, 1982). Des changements dans la couverture nuageuse à l'échelle régionale ont aussi été proposés il y a quelque temps par des scientifiques russes, qui ont considéré diminuer la quantité de nuages...

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...dans la région arctique pour promouvoir la fonte de la glace et des conditions de croissance améliorées en Sibérie. Avant les mesures par satellites les plus récentes, la plus grande partie de ce qui était connu sur les processus des nuages et sur comment ils contribuent à l'équilibre radiatif global venait de la modélisation du climat, et dans les modèles climatiques la plupart des détails sur le processus des nuages n'étaient pas inclus.

Changement proposé de l'albédo des nuages bas par l'émission de noyaux de condensation de nuages
Dans un article récent, Albrecht (1989), suivant une hypothèse de Twomey et Wojciechowski (1969), a estimé grossièrement les NCN additionnels qui seraient nécessaires pour augmenter la couverture nuageuse ou l'albédo des stratocumulus maritimes de 4%. Il estime que cette augmentation de la couverture de nuages bas serait équivalente à celle attribuée à une augmentation de 30% de NCN. Comme noté tableau Q3, cette augmentation de 4%, si elle était strictement dans l'abondance de nuages bas dans des conditions moyennes globales (35° de latitude), serait plus ou moins équivalente à la couverture nuageuse 4° de latitude plus au nord. Le stratocumulus idéalisé d'Albrecht, qu'il déclare comme typique, a une épaisseur de 375 m, un taux de bruine de 1 mm par jour...

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...et un rayon de gouttelettes de 100 nm; il suppose également que chaque gouttelette est formée par la fusion de 1000 gouttelettes plus petites. Le taux de réduction des NCN dans ce modèle est de 1000/cm3 par jour. Par conséquent, environ 300/cm3 par jour (30% de 1000) NCN seraient nécessaires pour être déversés à la base du nuage pour maintenir une augmentation de 4% de la couverture nuageuse. Ceci suppose que l'atmosphère perturbée resterait suffisamment proche de la saturation au voisinage des NCN et que des nuages additionnels seraient formés à chaque fois que le nombre de NCN est augmenté.

Une extrapolation sera maintenant effectuée pour la planète entière, en gardant à l'esprit les suppositions d'Albrecht que la couverture nuageuse dans une zone océanique typique est limitée par le faible nombre de NCN. En moyenne, 31.2% du globe est couvert de nuages stratiformes maritimes (Charlson et autres, 1987). Si aucun nuage de haute altitude n'est présent, le nombre de NCN devant être ajouté chaque jour est:
4pi x (rayon de la terre)2 x (épaisseur de la couche de nuages) x 31.2% x NCN/volume
=4pi x (6.37 x 10 puissance 8)2 x (3.75 x 10 puissance 4 cm) x 0.312 x 300/cm3/jour
= 1.8 x 10 puissance 25 NCN par jour

Les 3 matériaux qui ont été utilisés pour l'ensemencement de nuages sont l'iodure d'argent (Agl), l'iodure de plomb (Pbl) et la glace sèche. La glace sèche n'est pas applicable à cette situation car elle ne créé pas de NCN. Elle est utilisée pour ses propriétés d'amélioration des précipitations. L'iodure de plomb ne sera pas considéré parce qu'il était utilisé avant que l'on ne prenne pleinement conscience des problèmes environnementaux associés avec le plomb. Bien que des conséquences environnementales négatives seront également associées avec l'iodure d'argent, un calcul sera quand même effectué. Des calculs seront aussi effectués en utilisant l'acide sulfurique (H2SO4), parce qu'on croit que la plupart des NCN qui apparaissent naturellement au-dessus des océans sont des NCN de H2SO4 émanant de l'oxydation du sulfide de dimethyl (DMS) produit par les algues de plancton dans l'eau de mer (Charlson et autres, 1987).

La masse de NCN est de (4/3 pr3 x densité), et on suppose que le rayon moyen r = 0.07 x 10 puissance -4 cm (0.7 millièmes de mm) (Charlson et autres, 1987). Comme la densité de l'iodure d'argent est de 5.7 g/cm3, la masse de NCN est de
4/3 p x (0.07 x 10 puissance -4 cm)3 x 5.7 g/cm3
= 8.2 x 10 puissance -15 g
Le poids total d'iodure d'argent devant être ajouté chaque jour est
(nombre total devant être ajouté) x (poids moyen d'un NCN)
= 1.8 x 10 puissance 25 par jour x 8.2 x 10 puissance -15 g
= 1.5 x 10 puissance 11 g/jour ou environ 1.5 x 10 puissance 5 tonnes (15000 tonnes) par jour

La production mondiale d'argent en 1985 était de 11.9 x 10 puissance 3 t/an (11900 tonnes par an) ou 25.5 x 10 puissance 3 t/an (25500 tonnes) d'iodure d'argent.

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Il n'y a évidemment pas assez d'argent ou d'iodure d'argent pour considérer cette expérimentation.

Pour l'H2SO4, avec une densité de 1.841 g/cm3, le poids total devant être ajouté chaque jour est de
1.841/5.7 x 1.5 x 10 puissance 5 t/jour
= 48 x 10 puissance 3 t/jour (48000 tonnes par jour) de H2SO4
= 31 x 10 puissance 3 t/jour (31000 tonnes) de SO2, si tout le SO2 est converti en NCN de H2SO4. Pour relativiser ce chiffre, une centrale électrique au charbon de taille moyenne aux États-Unis émet à peu près la même quantité de SO2 par an; les émissions équivalentes à 365 centrales au charbon (50% des émissions actuelles de SO2 des État-Unis) produiraient suffisamment de NCN. Pour estimer directement la valeur du soufre, le poids total de SO2 devant être ajouté chaque jour est de 32 x 10 puissance 3 tonnes (32000 tonnes) ou environ 16 x 10 puissance 3 tonnes (16000 tonnes) de soufre, ce qui est équivalent à environ 6 megatonnes (6 millions de tonnes) de soufre par an. Étant donné le prix moyen du marché pour le soufre entre 1983 et 1987 – 96.90$ (Bureau du Recensement US, 1988) – le coût minimal annuel serait d'au moins 580 x 10 puissance 6 $ (580 millions de $). Comparer ce coût annuel aux 300 parties par million par volume (ppmv) de SO2 necessaire pour la compensation complète donne 580$ x 10 puissance 6/(2480 Mt C/ppvm CO2 x 300 ppmv CO2), ou environ une fraction d'1 centième de $ par tonne de CO2. Pour obtenir une équivalence en carbone conservé, les émissions connues de carbone en 1978, 1979 et 1980 ont été comparées avec l'augmentation totale mesurée de CO2: 3890 Mt C = environ 1 ppmv CO2. Une augmentation de 4% de la couverture nuageuse a été comparée à une diminution de 300 ppmv CO2, ce qui se traduit en une réduction de 1200 Gigatonnes (1200 milliards de tonnes) de carbone, ou 4400 Gt (4400 milliards de tonnes) de CO2.

Le coût principal de ce processus comprend le mécanisme pour distribuer le CO2 dans l'atmosphère au bon endroit. Supposons une flotte de bateaux, chacun transportant du soufre et un incinérateur approprié. Les bateaux sont dédiés au parcours des océans pacifique et atlantiques subtropicaux, loin des terres, pendant qu'ils brûlent du soufre. Ils sont dirigés sur des trajectoires couvertes de nuages par un centre de contrôle qui utilise des données satellitaires pour planifier la campagne. En plus de choisir des zones qui contiennent des nuages, il est important d'espacer les bateaux et leur motifs de brûlage pour ne pas créer de changements régionaux majeurs, ou le genre de changement avec un comportement dans le temps et dans l'espace qui risquerait d'entraîner des comportements des vagues non voulus. Ces restrictions (que nous pourrions ne pas savoir définir) pourraient être un problème difficile pour résoudre un tel système.

D'après ce qui est décrit ci-dessus, 16 x 10 puissance 3 t/jour (16000 tonnes/jour), ou 6 Mt/an (6 millions de tonnes par an) de soufre doivent être brûlés. Si 10 puissance 2 tonnes (100 tonnes) par bateau par jour sont allouées et qu'un bateau sort 300 jours par an, environ 200 bateaux de 10000 tonnes de capacité sont nécessaires (un arrêt pour ré-approvisionnement tous les 150 jours). Pour un coût de 100 x 10 puissance 6 $ (100 millions de $) par bateau (sûrement généreux),...

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...le capital pour la flotte est de 2 x 10 puissance 10 $ (20 milliards de $). Amorti sur 20 ans, un capital de 1 x 10 puissance 9 $ (1 milliard de $) peut être utilisé. Le soufre coûtera en plus 0.6 x 10 puissance 9 $ (600 millions de $) par an, et 2 x 10 puissance 6 $ (2 millions de $) par bateau par an peuvent être alloués pour les coûts opérationnels (10000 $ par jour d'opération), pour donner un coût total annuel de 2 x 10 puissance 9 $ (2 milliards de $). Sur 40 ans (jusqu'en 2030), ceci signifie 8 x 10 puissance 10 $ (80 milliards de $), ou 10 puissance 11 $ (100 milliards de $). Ce qui compense continuellement 10 puissance 3 Gigatonnes (1000 milliards de tonnes) pour un coût de 0.1 $/tonne de CO2. Bien sur il continue à y avoir un coût annuel de 1 x 10 puissance 9 $ (1 milliard de $).

Le SO2 pourrait aussi être émis par les centrales électriques. Ces centrales pourraient être construites dans l'océan pacifique près de l'équateur (espérons le sur de petites îles désertes) et serviraient pour fournir de l'électricité aux régions à proximité (par exemple l'Amérique du sud). La transmission ou l'utilisation de cette électricité sous la forme de matériaux raffinés pourraient être considérées, ou peut être l'utilisation de systèmes de transmission à supraconducteurs. On estime que 8 grandes centrales utilisant du charbon broyé seraient nécessaires (avec 4 fois la quantité normale de soufre) pour un coût de 2 à 2.5 x 10 puissance 6 $ (2 à 2.5 millions de $) par centrale. La plupart des coûts seraient supportés par ceux achetant l'électricité, le coût pourrait ainsi être au plus de 10% par an (l'intérêt sur l'investissement), ou un total de 2 x 10 puissance 9 $ (2 milliards de $) (avec la conversion ci-dessus, 2 x 10 puissance 9 $ / 3890 x 10 puissance 6 = environ 0.0005 $/t CO2).

Comparaison de la couverture nuageuse et des émissions proposées de NCN avec les estimations actuelles dans l'atmosphère réelle
Les émissions totales de SO2 des États-Unis sont de 65.7 x 10 puissance 3 tonnes (65700 tonnes) par jour, ce qui est environ 2 fois le montant calculé dans le précédent paragraphe. Par conséquent, il devrait déjà y avoir quelques effets évidents d'augmentation des nuages dans l'hémisphère nord si l'hypothèse de Twomey et Wojciechowski, comme implémentée par Albrecht, est correcte. Un examen des données disponibles sur les NCN montre que leur concentration moyenne au-dessus des océans de l'hémisphère nord est environ 5 fois supérieure à celle du pacifique sud (voir Schwartz, 1988, qui conclut cependant qu'il n'y a pas de contribution perceptible des émissions de CO2 induites par l'homme pour l'effet global de la couverture nuageuse sur l'albédo de la planète ou la température). De plus, plusieurs études ont examiné la tendance de la couverture nuageuse dans l'hémisphère nord et sont toutes arrivées à la même conclusion: la quantité totale de nuages a augmenté dans l'hémisphère nord (les zones dans ces études comprennent les États-Unis, l'Amérique du nord, l'atlantique nord et l'Europe) depuis le début des années 1900 (Henderson-Sellers, 1986, 1989; Changnon, 1981; Angell et autres, 1984; Warren et autres, 1988). Les plus fortes augmentations dans la couverture nuageuse aux États-Unis se sont produites des années 30 à environ 1950 et du milieu des années 60 à environ 1980. La première période correspond à la croissance rapide des émissions de SO2 aux États-Unis après la dépression et s'étend jusqu'à la fin de la deuxième guerre mondiale; la seconde période correspond à la prolifération des hautes cheminées. De 1965 à 1980 la hauteur moyenne des cheminées (hauteur physique plus élévation du panache) d'émission de SO2...

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...a doublé de 300 à 600 m. Ceci a bien sur augmenté la durée de vie des émissions libérées dans l'atmosphère et a transformé la pollution par le SO2 d'un problème principalement local dans beaucoup de villes en un problème de transport à grande distance.

Entre 1900 et 1980 la couverture nuageuse moyenne au-dessus des États-Unis a augmenté d'à peu près 10%, ce qui devrait être plus que suffisant pour compenser l'équivalent d'un doublement du CO2. Parce que le CO2 a augmenté de seulement 12% durant la même période, l'effet résultant devrait être un refroidissement. Cependant, les analyses des températures dans l'hémisphère nord pendant la même période indiquent systématiquement que la température moyenne a augmenté globalement de 0.5°C et 0.7°C, mais aucune tendance n'est évidente pour les États-Unis (Jones et autres, 1986; Hansen et Lebedeff, 1987; Hanson et autres, 1989). Ceci suggère soit que les effets des nuages ne sont pas compris ou que d'autres facteurs, tels que la très mauvaise fiabilité des données de couverture nuageuse et les effets de l'altitude des nuages doivent être examinés.

Wigley (1989) présente quelques calculs rudimentaires suggérant que le forçage dérivé des NCN de SO2 pourrait être suffisamment fort pour avoir compensé l'augmentation de la température due au CO2 dans l'hémisphère nord.

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Une autre façon possible de faire face au problème des pluies acides serait d'introduire du sulfate sous la forme de sulfate ou de bisulfate d'ammonium, les deux étant des sels neutres. Ceci éviterait la question de l'acidité dès le départ. Les deux sels sont fréquemment utilisés comme fertilisants et aux dilutions envisagées ici auraient un léger effet fertilisant localement. Ces sels peuvent être fabriqués en faisant réagir de l'ammoniaque avec de l'acide sulfurique. Le prix de l'ammoniaque est d'environ 100 $/t, le coût des NCN pourrait donc doubler, et il y aurait un coût additionnel pour l'équipement pour organiser les réactions en mer. Ces coûts additionnels pourraient augmenter le total d'autant que 50% à 0.15 $/t de carbone atténué par an ou 0.04 $/t CO2.

Expérimentations nécessaires sur les NCN
Si les émissions de NCN à l'échelle globale devaient être considérés d'une façon sérieuse, un certain nombre d'études fondamentales devraient être entreprises. Parmi lesquelles:

-Études exploratoires sur l'efficacité des NCN pour l'amélioration de la couverture nuageuse en stratocumulus, avec une analyse statistique complète des covariantes, et ainsi de suite.

-Détermination des propriétés des NCN: (1) durée de vie des NCN à différentes altitudes; (2) efficacité dans l'amélioration des nuages; (3) effet de leur précipitation sur les océans.

-Détermination de la fraction des émissions de SO2 convertie en NCN et distribution de la taille des particules en résultant.

-Extension de l'idée de l'amélioration par les NCN du niveau local et régional au niveau global: étude minutieuse de la dépendance en fonction de l'étendue sur l'efficacité du processus d'amélioration des nuages et sur leur interaction avec le rayonnement.

-Analyse complète pour confirmer l'efficacité des NCN sur la couverture nuageuse fractionnaire incluant des statistiques sur des tests soigneusement sélectionnés. Une multitude d'analyses auraient à prendre en compte toutes les variables telles que l'humidité, le processus de convection et le nombre de NCN, accompagné de méthodes pour l'étude du processus de précipitation.