Réchauffement global et ère glaciaire - Perspectives pour la modulation du changement global basée sur la physique

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

Ce dossier a été préparé pour être soumis au 22° Séminaire International sur les Urgences Planétaires, Erice, Sicile, Italie, 20-23 août 1997
Lawrence Livermore National Laboratory

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Il a été suggéré que des changements de climat à grande échelle, principalement dus à l'injection dans l'atmosphère de gaz à effet de serre en relation avec la production énergétique par des combustibles fossiles, devraient être évités par des réductions agréées internationalement, par exemple dans la production d'électricité. Les impacts économiques potentiels de telles limitations sont évidemment importants: 100 milliards de dollars par an. Nous proposons que pour un coût beaucoup plus faible, inférieur à 1%, les effets thermiques moyens des gaz à effet de serre pourraient être évités de plusieurs manières, certaines d'entre elles originales. Ces suggestions sont toutes basées sur des particules qui empêchent une faible fraction des radiations solaires d'atteindre tout ou partie de la terre. Nous proposons des recherches dirigées vers la réalisation à assez court terme d'une ou plus de ces approches peu coûteuses pour annuler les effets de l'injection de gaz à effet de serre.

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Le point de départ du présent dossier est le fait largement reconnu que l'augmentation de l'ampleur prédite des températures moyennes mondiales peut être annulée en empêchant environ 1% des radiations solaires - insolation - d'atteindre la terre. Ceci pourrait être réalisé par l'éparpillement de particules dans l'espace au voisinage de la terre afin de réduire une petite fraction de l'insolation. Si exécuté de manière presque optimale, nous croyons que le coût total d'une telle opération améliorée d'éparpillement serait probablement de 1 milliard de dollars par an au plus.

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Nous concluons en suggérant que le problème du changement de climat possible pourrait être mieux résolu par l'application en coopération de technologies modernes que par des mesures internationales centrées sur des interdictions.
Nous notons que des efforts dirigés vers la minimisation du coût des technologies de réduction sont spécialement en accord avec la Convention sur le Changement de Climat des Nations-Unies, dont l'article 3 spécifie que les politiques et les mesures pour contrer le changement de climat devraient être rentables pour assurer un bénéfice global au moindre coût possible.
Les grandes variations des estimations précédentes sur la quantité de particules diélectriques nécessaires pour la modulation à grande échelle de l'insolation semblent provenir principalement de références à des matériaux dont la dimension est non optimisée, qui peuvent gaspiller une certaine quantité de matière (le choix optimal est de faire correspondre la taille des particules à la longueur d'onde du pic de la radiation spectrale solaire...)

En général trois types principaux de particules existent pour disperser n'importe quel type de radiation électromagnétique, y compris la lumière solaire. Le plus simple est basé sur n'importe quel matériau dans lequel le champ électrique de la lumière provoque un déplacement des charges électriques, dans ce cas n'importe quel matériau peut être utilisé.
Ce genre de particules nécessite le déploiement quasi optimal estimé de plusieurs millions de tonnes de particules afin d'empêcher une augmentation de température moyenne (globale et temporelle) estimée de 3±1.5°C associée avec un doublement du CO2 atmosphérique durant le siècle à venir, le coût correspondant est d'environ 0.5 milliard de dollars par an.

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Des dizaines de milliers de tonnes de métal fortement conducteur - à peu près 1% de la masse des matériaux diélectriques requis - sont nécessaires pour disperser 1% de l'insolation totale de la terre; le coût correspondant est de 0.07-0.14 milliard de dollars par an.

En principe, les plus efficaces de tous les matériaux possibles sont des atomes et des molécules qui dispersent la lumière par résonance. De telles dispersions extrêmement fortes peuvent être obtenues pour une fréquence adaptée à un atome ou une molécule spécifique. L'exemple le plus simple serait la dispersion d'une étroite bande de lumière rouge par des atomes de lithium ou de la lumière jaune par des atomes de sodium.

Cette difficulté peut être surmontée en élargissant la résonance (accompagnée d'un affaiblissement proportionnel de la force de dispersion) ou par l'utilisation de particules qui ont plusieurs résonances séparées, ou plus efficacement par une combinaison de ces deux approches. Une estimation de l'ordre de un million de tonnes de tels matériaux résonants devrait suffire pour supprimer 1% de l'insolation totale de la terre; le coût correspondant peut être de 0.3-0.75 milliards de dollars par an.

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Comment les particules peuvent elles être dispersées? Il y a trois choix évidents pour des sites de dispersion de particules dans le cas de la modulation de l'insolation qui nous intéresse. Un est la stratosphère terrestre, le second est une orbite basse de la terre (c'est à dire une orbite dont le rayon pourrait être aussi grand que le double du rayon de la terre) et le troisième est une position sur la ligne entre le centre de la terre et le soleil (approximativement cent fois le rayon de la terre). Des trois options, la position stratosphérique est de loin la moins coûteuse; positionner des matériaux dans la stratosphère actuellement est au moins 104 fois moins coûteux que de les mettre dans l'orbite basse de la terre.

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Il semble donc tout à fait raisonnable de considérer des ballons avec une enveloppe métallique ultra-fine, partiellement gonflés avec un gaz élévateur, par exemple de l'hydrogène, comme engins répulseur de la lumière solaire, puisqu'on peut s'attendre à ce qu'ils aient une durée de maintient très longue dans la stratosphère.
10 puissance 17 (100 millions de milliards) de ces objets (de 4mm de rayon) seraient nécessaires.

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Particules quasi-résonantes
Une troisième approche implique l'utilisation de particules résonantes - quasi-résonantes en fait - également déployées dans la stratosphère.
Pour le court terme, études sur la modulation de l'insolation faiblement risqué, nous proposons l'utilisation de particules sub-microscopiques composées de nano-gouttes de perfluorohydrocarbone congelé chargées de molécules de colorant organique sélectionnés. Le coût total d'un tel système de modulation de l'insolation à grande échelle pourrait être assez compétitif, de l'ordre de 0.3-0.75 milliards de dollars par an.

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Une option distinctement différente de réaliser une telle dispersion de matériau quasi-résonant large bande puissant au voisinage des radiations optiques est basée sur des molécules de colorant organiques qui, en solution, manifestent presque idéalement l'absorption désirée dans la présente application.
Le fluide comportant les colorants pourrait être dispersé dans la stratosphère à l'aide d'un réservoir dans un avion comme un aérosol fin approprié, ses nano-particules individuelles gèleraient rapidement grâce aux températures stratosphériques et ainsi deviendraient photochimiquement inertes pendant de longues années. Bien qu'une masse totale plus grande pourrait devoir être déployée pour constituer un tel système de dispersion, la simplicité et le risque technique relativement faible de sa création pourraient être des considérations primordiales.
Il est aussi utile de noter en passant que les transitions résonantes choisies... pourraient probablement se situer exclusivement près des portions UV ou IR des radiations du spectre solaire de l'atmosphère de la terre, le "taillage du spectre" de la lumière solaire vu de la surface de la terre serait donc invisible de la population. L'"impact environnemental" perçu d'une telle soustraction spectrale de l'insolation serait ainsi essentiellement nul.

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Aujourd'hui, nos connaissances scientifiques et nos capacités technologiques sont probablement déjà suffisantes pour fournir des solutions à ces problèmes; nos connaissances et capacités dans un futur proche seront toutes les deux certainement supérieures. Appliquer les capacités actuelles de façon internationalement acceptable est un problème indéniablement difficile, mais apparemment beaucoup plus simple que d'obtenir un consensus international à court terme sur la réduction à grande échelle de la production d'énergie par les combustibles fossiles.

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Nous croyons que, avant un déploiement réel de n'importe quel système de dispersion à grande échelle pour moduler 1% de l'insolation, des recherches internationales complètement transparentes pourraient résulter en une opinion publique favorable à une approche raisonnable, basée sur la technologie, de prévention de défaillances climatiques à grande échelle de tous types.
La coopération internationale dans la phase de recherche, basée sur une complète franchise, est nécessaire et pourrait être suffisante pour obtenir la compréhension et le support sans lesquels n'importe laquelle de ces approches échouera.

Bien que nous ne prétendions pas avoir une expertise quelconque en matière politique, nous notons d'après l'opinion des experts que "la stabilisation (des niveaux atmosphériques de CO2) nécessite une réduction maintenue et à long terme des émissions, substantiellement en-dessous des niveaux actuels" [Wigley TML, Richels R et Edmonds J, Choix économiques et environnementaux pour la stabilisation de la concentration atmosphérique de CO2, Nature 379, 240-3 (1996)] et nous estimons que des réductions mondiales "substantielles" dans l'usage des combustibles fossiles durant les prochaines décennies ne se produiront pas sans une probabilité substantielle d'induire des conflits majeurs.