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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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832
...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. |