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. |