Physique applicable à la stabilisation active du climat

Source: Lawrence Livermore National Laboratory (pdf, en anglais)

Cet article a été soumis à l'Académie Nationale d'Ingénierie, Washington DC, 23-24 avril 2002
Ministère de l'Énergie - Lawrence Livermore National Laboratory
Stabilisation active du climat: propositions applicables basées sur la physique pour la prévention du changement de climat
Edward Teller, Roderick Hyde et Lowell Wood
Institution Hoover, Université de Stanford et Université de Californie Lawrence Livermore National Laboratory

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Nous proposons des arguments pour la gestion technique active du forçage radiatif de la température de l'enveloppe de la terre, plutôt que la gestion administrative des apports atmosphériques de gaz à effet de serre, afin de stabiliser à la fois le climat global et temporel et ses caractéristiques à l'échelle meso. Nous suggérons que la gestion active du forçage radiatif implique des coûts économiques et des impacts environnementaux négligeables, probablement fortement négatifs, et ainsi se conforme le mieux avec le mandat de la Convention sur le Changement de Climat des Nations-Unies. Nous proposons que de telles approches soient rapidement évaluées à échelle réduite au cours d'un programme international intensif.

On ne réalise généralement pas que le climat saisonnier moyen de la terre est plus froid actuellement qu'il l'a été 99% du temps depuis que la vie complexe est apparue avec l'explosion du Cambrien il y a 545 millions d'années. De la même façon, on ne se rend pas compte que les concentrations atmosphériques de dioxyde de carbone - CO2 - sont seulement très vaguement en corrélation avec les conditions climatiques moyennes tout au long de cette période géologique, il a fait beaucoup plus froid avec des concentrations en CO2 substantiellement plus élevées et aussi plus chaud avec des niveaux de CO2 plus faibles qu'à présent; en fait le niveau de CO2 dans l'air est observé dans les enregistrements géologiques comme un des facteurs les moins déterminants pour la température moyenne saisonnière et globale.

Si, après considération attentive de ces faits, on souhaite maintenir le climat global à ses niveaux actuels de température - ou à une valeur légèrement supérieure caractérisant l'Holocène il y a plusieurs milliers d'années, ou à cette valeur plus faible du Petit Âge Glaciaire d'il y a 3 siècles, ou à n'importe quel autre niveau raisonnable - alors des modifications actives des propriétés radiatives de la terre - gestion active du forçage radiatif des températures de l'atmosphère et des océans de la terre par le soleil - est une tactique évidente. C'est en fait probablement la voie la plus pratique pour ce problème particulier.

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Il est approprié de noter dès le départ que les concepts de base pour la modification volontaire des propriétés radiatives de la terre n'émanent pas de nous; ils ont été proposés au moins depuis 1979 par Dyson et Marland dans le contexte du réchauffement global entraîné par le CO2, et peut être de façon plus évidente par le groupe d'étude sur le changement global de l'Académie Nationale des Sciences en 1992 et par les découvertes similaires des études suivantes par le Groupe de Travail Intergouvernemental en 1995, qui ont noté ostensiblement ce qui leur est apparu de façon surprenante comme très pratique. Ce que nous avons fait dans nos recherches, basées sur l'article 3.5 de la Convention des Nations-Unies, est simplement d'optimiser la quantité et le coût des projets précédents et en proposer certains nouveaux, en portant une certaine attention sur comment des études à court terme de tels projets optimisés pouvant assurer la stabilité climatique pourraient commencer.

Si la préférence est d'éparpiller la lumière solaire dans l'espace, ou que la terre rayonne thermiquement plus de puissance nette, la surface caractéristique impliquée pour changer l'apport solaire net d'une moyenne spatiale et temporelle de 4 Watt/m2 est ~10 puissance -2 Aproj, ~1.3 x 10 puissance 16 cm2, ~1.3 millions de km2, où Aproj est la surface que la terre projette sur le plan perpendiculaire à l'axe terre-soleil; si un changement devait être imposé uniformément sur la terre entière, il devrait être 4 fois cette taille (c'est à dire le rapport de la surface de la terre sur celle de son disque).
Le contrôle du budget radiatif aux échelles qui nous intéressent se concentre donc sur la génération et le maintient de la couverture de cette fraction de 1-2% de la surface terrestre - ou, alternativement, de son disque présenté au soleil - avec un ou des matériaux qui modifient substantiellement la propagation soit de la lumière solaire reçue (insolation), soit de la radiation thermique émise sur ou près de la surface de la terre sur cette zone. Si la lumière solaire est bloquée mais la radiation thermique terrestre de longueur d'onde environ 20% supérieure est autorisée à s'échapper dans l'espace, alors la terre se refroidira de la quantité désirée - au niveau spatial et temporel; inversement, si la lumière solaire est autorisée à passer jusqu'à la surface de la terre, mais que la radiation thermique terrestre est empêchée de s'échapper dans l'espace, alors la terre se réchauffera de la même quantité - encore au niveau spatial et temporel.

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Il est approprié d'indiquer les très importants résultats de Govindasamy et Caldeira qui ont montré que la suppression d'une telle fraction de l'insolation uniformément au-dessus de la surface entière de la terre ne résulte pas seulement dans des changements de température de la quantité prédite - au niveau spatial et temporel, mais préserve également le climat actuel dans ses détails saisonniers et géographiques, au moins jusqu'aux échelles meso dans l'espace et dans le temps qui sont traités plus ou moins bien par les modèles de circulation globaux actuels. Ces résultats les plus remarquables - qui sont, contrairement aux hypothèses précédentes, non supportées par la modélisation, mais qui ont été confirmés par des travaux ultérieurs - indiquent que le climat terrestre peut être stabilisé par l'addition ou la soustraction de l'insolation en accord avec ce que nous proposons, pas seulement en général mais également dans les détails spatiaux et temporels considérables pour monsieur tout le monde qui ressent la haute fréquence des composantes du climat comme la météo journalière dans son micro-climat.

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Une "couverture" de l'ordre d'un million de km2 de la surface de la terre au moyen de quelque chose qui affecte substantiellement la lumière solaire qui l'atteint - ou sa re-radiation thermique - pourrait apparaître comme une tâche plutôt ambitieuse. Cependant, puisque la matière peut interagir assez fortement avec les radiations, si sa composition et sa géométrie sont choisies de façon appropriée, le principal défi n'est pas la préparation ou la manipulation de la quantité de matériau impliquée dans cette "couverture" mais plutôt de s'assurer qu'il reste utilement en place pendant une longue période ("l'épaisseur" moyenne du matériau d'éparpillement au-dessus de ces 10 puissance 6 (1 million) de km2 est au plus de 10 puissance -4 cm (1 micron), le volume total est donc de de l'ordre de 10 puissance 12 cm3 - un cube de 100 mètres de côté - et la masse correspondante est 'seulement' de l'ordre d'1 million de tonnes). Comme exemple spécifique et en aperçu d'un de nos résultats, la préoccupation actuelle au sujet du réchauffement global se concentre sur l'apport d'environ 7 milliards de tonnes de carbone dans l'atmosphère chaque année et plusieurs fois cette quantité d'ici plusieurs décennies; le déploiement annuel d'à peine 0.01% cette masse de soufre - grossièrement 1/10000 de la quantité de soufre par rapport au carbone - dans la forme et aux endroits appropriés peut être effectué pour compenser entièrement "l'effet des gaz à effet de serre" de la masse 10000 fois plus grande de CO2 apporté.

Le positionnement d'éparpilleurs de radiations solaires dans l'atmosphère supérieure de la terre - spécifiquement, la moyenne et haute atmosphère - est une approche maintenant vénérable qui semble fournir le déploiement le plus réalisable, comme la durée de vie opérationnelle de tels éparpilleurs peut être aussi longue qu'1/2 décennie; les taux de remplacement nécessaires sont donc modestes. Ainsi, la stratosphère est l'endroit où nous envisageons de déployer tout le système d'éparpillement pour la modulation de l'insolation que nous proposons pour des études à court terme.

La formation et le placement d'aérosols de sulfate est le plus coûteux moyen en terme de quantité - bien que raisonnablement économique - d'éparpiller dans l'espace la fraction de lumière solaire nécessaire pour compenser les effets prédits de la concentration atmosphérique de CO2 en l'an 2100. De façon intéressante, un tel éparpillement Rayleigh de la lumière solaire, accompli par des aérosols déployés dans la stratosphère dont le diamètre est plusieurs fois plus petit que la longueur d'onde de la lumière, éparpillera sélectivement dans l'espace les composantes ultraviolettes fortement nuisibles tout en diminuant la lumière que nous voyons - et que les plantes utilisent pour la photo synthèse - seulement imperceptiblement.

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Du point de vue humain, le ciel serait plus bleu, les couchers de soleil plus spectaculaires, les plantes seraient moins stressées par les dommages dus aux UV et seraient donc plus productives, et les enfants jouant à l'extérieur seraient moins susceptibles d'attraper des coups de soleil (et donc moins susceptibles aux dysplasies et aux cancers de la peau étant adultes), si ce système d'éparpillement Rayleigh stratosphérique était déployé. Nous avons estimé les coûts d'établissement d'une telle gestion active du forçage radiatif sur une échelle allant jusqu'en 2100 à environ 1 milliard de dollars par an, et personne à notre connaissance n'a contredit ces estimations depuis que nous les avons proposé il y a une demi décennie. En fait, l'étude de l'Académie Nationale a implicitement reconnu la faisabilité de ce genre de démarche, bien qu'elle n'ait considéré seulement minutieusement que l'éparpillement par des aérosols diélectriques non optimisés. De même, de tels coûts semblent être d'un ordre de magnitude inférieur aux économies des frais de santé dus aux dommages de la peau occasionnés par le soleil - et bien moindres que la productivité de l'agriculture due à l'évitement des dommages causés par les UV - rien qu'aux États-Unis; ainsi, le coût pour le contribuable américain d'implémenter ce système bénéficiant à toute l'humanité semble être bien négatif: ses bénéfices économiques l'emporteraient largement sur son coût.

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Le déploiement d'un ou plusieurs écrans métalliques d'éparpillement si diaphanes qu'ils seront pratiquement invisibles pour l'oeil humain juste à l'intérieur du point de Lagrange du système terre-soleil et sur son axe représente l'optimal absolu de tous les moyens que nous connaissons pour assurer la stabilité du climat à long terme, et est plutôt original.

Considérant les fait précédents, alors, si vous êtes inclinés à souscrire aux directives de la Convention de Rio qui stipule que la réduction du réchauffement global doit être effectuée de la manière "la moins coûteuse" - que vous croyiez ou non que la terre se réchauffe significativement au-dessus et au-dela des valeurs naturelles, que vous croyiez ou non que les activités humaines sont largement responsables d'un tel réchauffement et que vous croyiez ou non que des problèmes susceptibles d'avoir un impact significatif seulement dans un siècle devraient être abordés par des moyens technologiques actuels plutôt qu'être reportés pour éviter l'emploi de moyens plus avancés - vous préférerez nécessairement la gestion technique active du forçage radiatif de la terre à la gestion administrative de l'apport des gaz à effet de serre dans l'atmosphère, pour les raisons pratiques citées précédemment.

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La gestion technique du forçage radiatif de l'enveloppe de la terre, non la gestion administrative des apports gazeux dans l'atmosphère, est la voie autorisée par les clauses pertinentes de la Convention sur le Changement de Climat des Nations-Unies. De plus, cela semble être vrai dans une large marge économique, qui pourrait être de pas moins d'1 trillion de dollars par an au niveau mondial, comme cela permet la fertilisation des cultures de la planète grâce à une plus grande concentration de CO2, sans regrets au sujet du climat. Un des problèmes les plus urgents auquel fait face la race humaine au 21° siècle - comment nourrir de façon adéquate les 60% de personnes supplémentaires prévus d'ici un siècle - commence ainsi à être distinctement raisonnable. Notez dans la figure 2 que les zones bénéficiant des gains de productivité les plus élevés coïncident avec les zones de la planète dans lesquelles les gains de population les plus grands sont prévus de se produire. Avec la gestion active du forçage radiatif de l'atmosphère et des océans, l'humanité pourrait être capable, en "fertilisant avec l'air", de surmonter le défi de la production de nourriture pour le 21° siècle, tout comme l'utilisation intensive de fertilisants des sols ont apporté à l'humanité un délai de grâce de plusieurs décennies dans la production de nourriture dans la dernière moitié du 20° siècle.

Nous suggérons donc que le gouvernement US ferait bien de lancer immédiatement un programme intensif pour s'occuper de tous ces problèmes essentiels dans la gestion technique active du forçage radiatif, y compris des expériences bien conçues à échelle réduite dans l'atmosphère.

À cause des impacts globaux évidents de n'importe quel système de gestion de quelque sorte que ce soit, la plus grande participation internationale faisable dans ce programme devrait être incitée.