Comment modélise-t-on le voile solaire ?
Cette semaine, on essaie de comprendre comment fonctionnent les Earth System Models et les simulations de la géo-ingénierie solaire.
Bonjour les ami.e.s,
Aujourd’hui, je vous propose de rentrer assez finement dans la simulation numérique de la géo-ingénierie solaire.
Certes, c’est un peu geek. Mais personnellement, c’est l’un des aspects qui me fascine le plus : l’essentiel de ce que nous savons d’un possible voile solaire dans la stratosphère vient des modèles.
Il y a bien sûr des analogues naturels, comme l’éruption du Pinatubo en 1991, qui fit chuter les températures pendant plusieurs mois (cette année-là, les ours polaires furent plus gras que d’habitude et surnommés les « ours du volcan »), mais c’est surtout grâce aux ordinateurs que nous enquêtons sur la gestion du rayonnement solaire.
Pour rappel, la gestion du rayonnement solaire vise à réfléchir une partie de l’énergie du Soleil pour refroidir artificiellement la Terre. La méthode la plus étudiée vise à créer un voile d’aérosols dans la stratosphère, pour reproduire l’effet du volcanisme.
La plupart du temps, les modélisations comparent trois situations : notre climat actuel, une atmosphère « réchauffée » selon un scénario plus ou moins pessimiste, et une planète « géo-ingéniérée ». En effet, la géo-ingénierie ne nous ramènerait pas à la situation actuelle ou préindustrielle. Le voile de soufre créerait un climat nouveau (le couvert végétal, par exemple, serait fort différent dans une atmosphère fertilisée par le CO₂ mais aux températures contenues) ; le but étant qu’il soit moins agité que celui que nous risquons d’avoir dans les prochaines décennies.
Le problème est qu’en mettant, très littéralement, quelque chose de nouveau sous le Soleil, nous touchons à presque tous les paramètres du système Terre. Comment être sûr que nous avons bien tout anticipé ? Autre difficulté : les effets régionaux de tous ces phénomènes doit être bien compris si l’on veut éviter des conflits autour de l’ajustement du voile de soufre. Sommes-nous certains d’avoir la finesse de modélisation suffisante ?
Pour discuter de tout cela, j’ai appelé Matthew Henry, qui fait son postdoc à l’Université d’Exeter, où il modélise la gestion du rayonnement solaire. Matthew a eu plusieurs fois la gentillesse de relire les bouts les plus techniques de cette newsletter pour m’éviter de raconter des bêtises. Au-delà de ses propres travaux, il participe activement à l’animation de cette communauté scientifique.
Avant que nous entrions dans le vif du sujet, pouvez-vous m’expliquer comment vous en êtes arrivé à étudier la géo-ingénierie solaire ?
Matthew Henry Ma thèse visait à comprendre pourquoi l’Arctique se réchauffe beaucoup plus vite que le reste de la planète. Assez tôt dans mes travaux, j’ai croisé la gestion du rayonnement solaire. C’était alors un sujet tabou et la communauté de recherche était très petite. Ma réaction initiale a été le rejet, mais très vite je me suis rendu compte que, au fur et à mesure que le réchauffement continuait, ça allait devenir un sujet important et qu’il n’y avait pas assez de recherche focalisée là-dessus. En effet, c’est le seul moyen de réduire la température globale sur une échelle de temps courte, la neutralité carbone ne permettant que de stopper l’augmentation des températures.
L’essentiel de ce que nous savons aujourd’hui sur la gestion du rayonnement solaire provient de la modélisation. Quels sont les modèles dont il est question ?
Ce sont les mêmes modèles que ceux utilisés pour comprendre le réchauffement climatique : les Earth System Models (ESM). Apparus dans les années 1960, ces représentations du système Terre se sont complexifiées pour intégrer différents composants : l’atmosphère, l’océan, la végétation, les glaciers et la banquise, etc. Concrètement, la planète est découpée en cubes d’une centaine kilomètres de long et de large et une hauteur de l’ordre d’un kilomètre. Ce sont un peu comme les pixels d’une image et on utilise des équations liées à la dynamique des fluides pour en étudier l’évolution quand la Terre est soumise à un forçage, par exemple un doublement de la concentration en CO₂ dans l’air ou bien l’injection de SO₂ dans la stratosphère. Pour s’assurer de la pertinence de ces simulations informatiques, on peut les tester sur des phénomènes déjà advenus. Sont-ils, par exemple, capables de dessiner la courbe des températures passées ?
Combien y a-t-il de ces modèles en circulation ?
Une centaine (dont différentes variantes du même modèle) ! Pour ma part, j’utilise surtout UKESM, qui a été développé par le Met Office, l’équivalent de Météo France au Royaume-Uni. On peut aussi citer le CESM qui est surtout maintenu par des universités américaines. En France, vous avez par exemple le IPSL-CM. Ces logiciels ont atteint une telle complexité qu’il faut vraiment être un spécialiste pour percer la boîte noire. Pour que les résultats soient plus robustes, on utilise des « ensembles », c’est-à-dire qu’on lance plusieurs simulations en même temps, avec de légères modifications dans les conditions initiales pour isoler le signal de la variabilité interne du modèle.
Quels sont les biais de ces simulations ?
Comme je l’ai dit, ces modèles décomposent l’atmosphère et l’océan en « cubes » ; c’est la résolution de l’image en quelque sorte. Cela facilite les calculs, mais nous force à paramétrer, à simplifier, tous les phénomènes plus petits que ces mailles. Par exemple, nous arrivons encore assez mal à simuler la microphysique des aérosols. Or la rapidité avec laquelle ceux-ci s’agglomèrent et retombent a des conséquences sur leur pouvoir réfléchissant et leur persistance dans la haute atmosphère. Ces approximations peuvent avoir des effets importants sur les résultats d’une opération de géo-ingénierie : l’injection peut s’avérer plus ou moins efficace que prévu.
J’ai dit tout à l’heure que les simulations numériques étaient notre principale source de connaissances sur la géo-ingénierie solaire, mais je vous ai vu tiquer…
Oui parce qu’il y a aussi des analogues naturels, comme les éruptions volcaniques pour l’injection d’aérosols dans la stratosphère et la pollution atmosphérique pour l’éclaircissement des nuages marins. L’observation de ces phénomènes nous permet de savoir que les modèles ne sont pas complètement à côté de la plaque. Par exemple, on peut regarder quelles ont été les conséquences de l’éruption du Pinatubo, en 1991, pour tester et affiner nos simulations.
Des chercheurs voudraient pouvoir mener des expériences de petite ampleur en extérieur. Y êtes-vous favorable ?
Oui, à condition que cela soit bien encadré et que ce soit fait avec l’accord des populations concernées. Ces expériences nous aideraient à mieux comprendre des mécanismes physiques ou chimiques qui restent mal représentés dans les modèles. Par exemple, comment se comporte un panache naissant d’aérosols, juste après la diffusion de dioxyde de soufre depuis un avion dans la stratosphère ?
Une autre manière de consolider ce que nous savons est de comparer les résultats des différents modèles…
Oui. On leur pose tous les mêmes questions et on compare leurs résultats. Pour la gestion du rayonnement solaire, nous faisons cela avec GeoMIP. Nous définissons des expériences standardisées qui peuvent ensuite être testées sur différents modèles. Par exemple, que se passe-t-il si nous quadruplons la concentration en dioxyde de carbone dans l’atmosphère et diminuons l’ensoleillement pour compenser entièrement la hausse des températures ? C’est l’expérience G1, qui peut paraître assez rudimentaire. Dans des expériences définies plus récemment, comme G6-SAI-1.5K, on vise à stabiliser le réchauffement à +1,5 °C en injectant du dioxyde de soufre dans un scénario de réchauffement moyen. Cela se rapproche davantage de ce qui pourrait se faire dans la réalité, et est plus pertinent pour les décideurs politiques.
Pourquoi ne pas s’en tenir aux expériences les plus réalistes et aux modèles les plus précis ?
Parce que ce n’est pas toujours le plus pertinent. Il y a deux raisons principales pour lesquelles on mène ces simulations. La première, c’est de comprendre la physique du système Terre. Dans ce cas, des expériences grossières peuvent nous aider à mieux comprendre le mécanisme sous-jacent. Par exemple, dans le cas de G1, il n’y a que le CO₂ et la constante solaire qui changent. Alors que dans G6-SAI-1.5K, il y a beaucoup d’autres changements tels que les émissions anthropiques d’aérosols (dans la troposphère), ce qui rend plus complexe l’attribution des changements observés. La seconde raison principale, c’est d’éclairer les décideurs. Là, il est préférable de coller au scénario le plus crédible.
Existe-t-il une géopolitique des modèles ? Dans le roman Termination Shock de Neal Stephenson, les grandes puissances tentent d’acquérir les modèles les plus fins et les plus rapides pour anticiper les effets d’un déploiement de géo-ingénierie…
L’un des grands enjeux de la recherche autour de la géo-ingénierie solaire est de permettre à des pays du Sud Global d’avoir leur propre expertise sur ce sujet. Les modèles nécessitent beaucoup de puissance de calcul : pour se projeter sur une année, il faut que les machines tournent pendant environ une journée, tant il y a d’équations à résoudre. Ainsi, une étude qui vise à simuler l’évolution du climat jusqu’en 2100 nécessitera environ deux mois de calculs ! C’est très lent et ça limite la quantité de simulations qu’on peut faire. C’est aussi coûteux. D’où l’importance de projets comme The Degrees Initiative qui finance des chercheurs dans les pays du Sud. Pour l’instant, c’est plutôt de l’analyse de résultats générés par les modèles britanniques ou américains. Mais dans le futur, le but serait que les experts de ces pays puissent lancer leurs propres simulations.
Nous commençons à avoir un peu de recul. Que sait-on grâce aux simulations qui ont été effectuées ?
On peut dire de manière assez certaine qu’une couche d’aérosols dans la stratosphère réduirait la température globale. On sait aussi qu’il faudrait faire cette injection dans les deux hémisphères pour ne pas bouleverser complètement des phénomènes comme les moussons tropicales qui dépendent des gradients de température entre le Nord et le Sud. Si on respecte ce principe, il est très probable que le refroidissement occasionné soit le décalque du réchauffement climatique : il serait par exemple accru aux pôles, ce qui nous arrangerait. Là où il reste le plus d’incertitudes, c’est, par exemple, sur les changements régionaux de précipitation (voir fig 6 et 7 ici par exemple) ou l’impact sur les écosystèmes.
Dans une étude récente, vous avez montré que selon la latitude d’injection choisie, les effets du voile solaire seraient différents. On voit déjà se profiler le risque de conflits géopolitiques…
Dans cette étude, nous avons modélisé jusqu’à 1,5°C de refroidissement, ce qui est beaucoup. Si la gestion du rayonnement solaire était utilisée, ce serait probablement avec des doses plus faibles et les différences seraient moins marquées. Mais oui, il y aurait des choix à faire. Nos simulations montrent que les deux scénarios les plus efficaces en terme de refroidissement par masse de dioxyde de soufre sont une injection aux 15e parallèles nord et sud (juste en dessous de l’Inde et au juste au-dessus de l’Australie) et aux 30e parallèles nord et sud (au niveau du Sahel et du Cap de Bonne Espérance).
Le schéma 30°N/S est le moins perturbateur, dans le sens qu’il entraîne les plus petits changements dans les pluies, les moussons, l’ozone et la circulation atmosphérique. C’est probablement celui qu’il faudrait privilégier, mais l’injection à 15° N/S est celle qui nécessite le moins de soufre et celle à 60°N/S (Europe du nord, Antarctique) celle qui refroidit le plus l’Arctique. Cela suggère qu’il pourrait y avoir des compromis à faire, ce qui soulève des enjeux de gouvernance.
Pourquoi modéliser cela avec du soufre ?
Il existe des études sur d’autres particules ou d’autres gaz, comme le carbonate de calcium, les diamants de synthèse, etc. Mais les conséquences du soufre sur la stratosphère sont mieux connues grâce aux éruptions volcaniques. De manière générale, on préfère donc partir de sulfates même si ceux-ci peuvent avoir des effets secondaires sur l’ozone ou des retombées acides. Par ailleurs, nous émettons déjà énormément de dioxyde de soufre dans la basse atmosphère. It is the devil we know.
Que pensez-vous de l’argument selon lequel la géo-ingénierie solaire ne peut être testée qu’à l’échelle et que nous aurons bon affiner les modèles, il restera toujours une part d’inconnu ?
C’est vrai qu’il y aura toujours une part d’inconnu, mais ce sont les mêmes modèles que nous utilisons pour anticiper les effets du réchauffement climatique. Donc la question scientifique est d'évaluer ces nouveaux risques et de les comparer à ceux potentiellement atténués par la réduction du réchauffement climatique, ce qui est plus ou moins ce qui est dit dans cette lettre ouverte de scientifiques travaillant sur ce sujet, signée il y a quelques années.
Par ailleurs, nous ne sommes pas obligés de commencer du jour au lendemain avec un déploiement massif. Les chercheurs Wake Smith et David Keith ont proposé, par exemple, le concept de déploiement de sous-échelle : débuter avec des avions existants, donc à des altitudes plus basses que prévu, et avec du soufre mais en petites quantités. Cela pourrait se faire rapidement et déjà nous en apprendrions beaucoup sur la réaction du système Terre.
Oui mais il faudra du temps pour distinguer les effets de ce voile de la variabilité naturelle du climat. Et après quelques années d’opérations nous serons très réticents à arrêter, même si les résultats sont décevants, par peur d’un petit « choc terminal »… Est-ce qu’on ne risque pas en essayant de contrer une perturbation (le réchauffement) avec une autre perturbation (le voile solaire) de déclencher des catastrophes ?
Même à 2 degrés de réchauffement, nous serons confrontés à des risques potentiellement catastrophiques, que ce soit pour les récifs de corail, la banquise, ou les vagues de chaleur. Les preuves que nous avons jusqu'à présent suggèrent que ces risques pourraient être atténuées avec le voile solaire. Donc le but est de comparer les nouveaux risques introduits par le voile solaire (choc terminal, effets inattendus, effets géopolitiques…) avec ceux potentiellement atténués par le voile solaire. Il n’y a pas de réponse simple !
Dans les simulations, tout est contrôlé, il y a par exemple un algorithme qui ajuste l’injection en fonction des réponses du modèle, mais dans la vraie vie, nous n’atteindrions jamais un déploiement aussi « propre ». Il y aurait des conflits, des accidents techniques, etc.
Les simulations ne sont pas des modes d’emploi. Ce sont des exercices scientifiques. A chaque intervention, je rappelle que ce sont des scénarios très idéalisés, qui ne présagent en rien de la manière dont tout ça se déroulerait dans la réalité. Vous avez raison, il y a des risques géopolitiques.
Nous avons parlé de l’injection d’aérosols dans la stratosphère, mais je sais que vous vous intéressez aussi à l’éclaircissement des nuages marins. Que cherchez-vous à savoir ?
Si on pourrait utiliser cette technique pour refroidir l’Arctique et éviter de franchir des points de bascule. Là aussi, il reste beaucoup d’inconnus, par exemple sur la façon dont se forment les nuages.
Nous sommes en train d’établir une expérience standardisée pour GeoMIP. L’idée serait d’injecter des cristaux de sel au-dessus de certains océans pour augmenter les noyaux de condensation dans les nuages, et donc leur pouvoir réfléchissant, afin de maintenir le réchauffement à +1,5°C dans un scénario d’émission de gaz à effet de serre intermédiaire (comme pour G6-SAI-1.5K ci-dessus).
Mais cela soulève des difficultés : par exemple, s’il y a moins de charbon dans le futur, comme le prévoit ce scénario, alors il y aura moins d’aérosols en suspension dans l’air, ce qui a un effet sur la formation des nuages. Il faut qu’on prévoit ces interactions sans rendre l’expérience trop complexe sinon seuls les modèles les plus souples pourront la reproduire. La modélisation est une science laborieuse ! ◆
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