À l'aide d'un modèle informatique sophistiqué, les scientifiques ont démontré pour la première fois qu'une nouvelle approche de recherche en géo-ingénierie pourrait potentiellement être utilisée pour limiter le réchauffement de la Terre à une cible spécifique tout en réduisant certains des risques et des préoccupations identifiés dans les études antérieures, y compris le refroidissement inégal du globe.

Les scientifiques ont développé un algorithme spécialisé pour un modèle du système Terre qui fait varier la quantité et l'emplacement de la géo-ingénierie - dans ce cas, injections de dioxyde de soufre dans l'atmosphère, ce qui serait en théorie nécessaire, année après année, pour couvrir efficacement le réchauffement. Ils mettent en garde, cependant, que des recherches supplémentaires sont nécessaires pour déterminer si cette approche serait pratique, ou même possible, dans le monde réel.

Les résultats de la nouvelle recherche, dirigé par des scientifiques du National Center for Atmospheric Research (NCAR), Laboratoire national du nord-ouest du Pacifique (PNNL), et l'Université Cornell, représentent une avancée significative dans le domaine de la géo-ingénierie. Toujours, il y a beaucoup de questions auxquelles il faut répondre sur les injections de dioxyde de soufre, y compris comment ce type d'ingénierie pourrait modifier les modèles de précipitations régionales et dans quelle mesure de telles injections endommageraient la couche d'ozone. La possibilité d'un effort mondial de géo-ingénierie pour lutter contre le réchauffement soulève également de sérieuses préoccupations en matière de gouvernance et d'éthique.

"Il s'agit d'une étape importante et offre la promesse de ce qui pourrait être possible à l'avenir, " a déclaré Yaga Richter, scientifique du NCAR, l'un des auteurs principaux. "Mais ce n'est que le début; il y a beaucoup plus de recherches à faire."

Les études de modélisation antérieures ont généralement cherché à répondre à la question « Que se passe-t-il si nous faisons de la géo-ingénierie ? » Les résultats de ces études ont décrit les résultats - à la fois positifs et négatifs - de l'injection d'une quantité prédéterminée de sulfates dans l'atmosphère, souvent juste à l'équateur terrestre. Mais ils n'ont pas tenté de préciser le résultat qu'ils espéraient atteindre au départ.

Dans une série de nouvelles études, les chercheurs ont renversé la question, demander à la place, « Comment la géo-ingénierie pourrait-elle être utilisée pour atteindre des objectifs climatiques spécifiques ? »

"Nous avons vraiment déplacé la question, et ce faisant, constaté que nous pouvons mieux comprendre ce que la géo-ingénierie peut être en mesure de réaliser, ", a déclaré Richter.

Les résultats de la recherche sont détaillés dans une série d'articles publiés dans un numéro spécial de la Journal de recherche géophysique – Ambiances.

Imiter un volcan

En théorie, la géo-ingénierie – des interventions à grande échelle conçues pour modifier le climat – pourrait prendre plusieurs formes, du lancement de miroirs solaires en orbite à la fertilisation d'algues océaniques avides de carbone. Pour cette recherche, l'équipe a étudié une approche très discutée :l'injection de dioxyde de soufre dans la haute atmosphère, au-dessus de la couche nuageuse.

L'idée de lutter contre le réchauffement climatique avec ces injections est inspirée des éruptions volcaniques les plus massives de l'histoire. Quand les volcans éclatent, ils projettent du dioxyde de soufre dans l'atmosphère, où il est chimiquement converti en particules de sulfate diffusant la lumière appelées aérosols. Ces sulfates, qui peut persister dans l'atmosphère pendant quelques années, se propagent autour de la Terre par les vents stratosphériques, formant une couche réfléchissante qui refroidit la planète.

Pour imiter ces effets, le dioxyde de soufre pourrait être injecté directement dans la stratosphère, peut-être avec l'aide d'avions volant à haute altitude. Mais alors que les injections contreraient le réchauffement climatique, ils ne régleraient pas tous les problèmes liés au changement climatique, et ils auraient probablement leurs propres effets secondaires négatifs.

Par exemple, les injections ne compenseraient pas l'acidification des océans, qui est directement lié aux émissions de dioxyde de carbone. La géo-ingénierie pourrait également entraîner des perturbations importantes dans les régimes de précipitations ainsi que des retards dans la guérison du trou dans la couche d'ozone. De plus, une fois la géo-ingénierie commencée, si la société voulait éviter une augmentation rapide et drastique de la température, les injections devraient se poursuivre jusqu'à ce que les efforts d'atténuation soient suffisants pour limiter le réchauffement à eux seuls.

Il y aurait aussi probablement d'importants défis de gouvernance internationale qui devraient être surmontés avant qu'un programme de géo-ingénierie puisse être mis en œuvre.

"Pour que les décideurs pèsent avec précision les avantages et les inconvénients de la géo-ingénierie par rapport à ceux du changement climatique d'origine humaine, ils ont besoin de plus d'informations, " a déclaré Ben Kravitz, scientifique du PNNL, également un auteur principal des études. "Notre objectif est de mieux comprendre ce que la géo-ingénierie peut faire et ce qu'elle ne peut pas faire."

Modélisation de la chimie complexe

Pour les nouvelles études, les scientifiques ont utilisé le modèle de système terrestre communautaire basé sur le NCAR avec sa composante atmosphérique étendue, le modèle climatique communautaire de l'atmosphère entière. WACCM comprend la chimie et la physique détaillées de la haute atmosphère et a été récemment mis à jour pour simuler l'évolution des aérosols stratosphériques à partir des gaz sources, y compris la géo-ingénierie.

"Il était essentiel pour cette étude que notre modèle soit capable de capturer avec précision la chimie dans l'atmosphère afin que nous puissions comprendre à quelle vitesse le dioxyde de soufre serait converti en aérosols et combien de temps ces aérosols resteraient, " a déclaré Michael Mills, scientifique du NCAR, également un auteur principal. "La plupart des modèles climatiques mondiaux n'incluent pas cette chimie atmosphérique interactive."

Les scientifiques ont également considérablement amélioré la façon dont le modèle simule les vents stratosphériques tropicaux, qui changent de direction toutes les quelques années. Représenter avec précision ces vents est essentiel pour comprendre comment les aérosols sont soufflés autour de la planète.

Les scientifiques ont testé avec succès leur modèle en voyant à quel point il pouvait simuler l'éruption massive du mont Pinatubo en 1991, y compris la quantité et le taux de formation d'aérosols, ainsi que la façon dont ces aérosols ont été transportés dans le monde et combien de temps ils sont restés dans l'atmosphère.

Ensuite, les scientifiques ont commencé à explorer les impacts de l'injection de dioxyde de soufre à différentes latitudes et altitudes. Des études antérieures, les scientifiques savaient que les sulfates injectés uniquement à l'équateur affectent la Terre de manière inégale :surrefroidissement des tropiques et sous-refroidissement des pôles. C'est d'autant plus problématique que le changement climatique réchauffe l'Arctique à un rythme plus rapide. Le changement climatique provoque également un réchauffement plus rapide de l'hémisphère nord que de l'hémisphère sud.

Les chercheurs ont utilisé le modèle pour étudier 14 sites d'injection possibles à sept latitudes différentes et deux altitudes différentes, ce qui n'avait jamais été essayé auparavant dans la recherche en géo-ingénierie. Ils ont découvert qu'ils pouvaient répartir le refroidissement de manière plus uniforme à travers le monde en choisissant des sites d'injection de chaque côté de l'équateur.

Atteindre plusieurs objectifs

Les chercheurs ont ensuite regroupé tous leurs travaux dans un seul modèle de simulation avec des objectifs précis :limiter le réchauffement climatique moyen aux niveaux de 2020 jusqu'à la fin du siècle et minimiser la différence de refroidissement entre l'équateur et les pôles ainsi qu'entre le nord et les hémisphères sud.

Ils ont donné au modèle quatre choix de sites d'injection - à 15 degrés et 30 degrés de latitude nord et sud - puis ont mis en œuvre un algorithme qui détermine, pour chaque année, les meilleurs sites d'injection et la quantité de dioxyde de soufre nécessaire sur ces sites. La capacité du modèle à reformuler la quantité de géo-ingénierie nécessaire chaque année, sur la base des conditions de cette année-là, a également permis à la simulation de répondre aux fluctuations naturelles du climat.

Le modèle a réussi à maintenir les températures de surface près des niveaux de 2020 dans un contexte d'augmentation des émissions de gaz à effet de serre qui serait cohérent avec un scénario de statu quo. La capacité de l'algorithme à choisir les sites d'injection a refroidi la Terre plus uniformément que dans les études précédentes, car il pourrait injecter plus de dioxyde de soufre dans les régions qui se réchauffaient trop vite et moins dans les régions qui s'étaient trop refroidies.

Cependant, d'ici la fin du siècle, la quantité de dioxyde de soufre qui devrait être injectée chaque année pour compenser le réchauffement climatique d'origine anthropique serait énorme :près de cinq fois la quantité rejetée dans l'air par le mont Pinatubo le 15 juin, 1991.

Retourner la question de recherche

"Les résultats démontrent qu'il est possible de renverser la question de recherche qui a guidé les études de géo-ingénierie et non seulement d'explorer ce que fait la géo-ingénierie, mais de la considérer comme un problème de conception, " a déclaré Doug MacMartin, un scientifique à Cornell et au California Institute of Technology. "Quand nous le voyons sous cet angle, nous pouvons alors commencer à développer une stratégie pour atteindre les objectifs de la société."

Dans la série d'études en cours, l'ajustement du plan de géo-ingénierie une seule fois par an a permis aux chercheurs de maintenir la température mondiale moyenne aux niveaux de 2020 au cours d'une année donnée, mais les températures régionales, ainsi que les changements de température saisonniers, étaient parfois plus fraîches ou plus chaudes que souhaité. Les prochaines étapes pourraient donc inclure l'exploration de la possibilité de faire des ajustements plus fréquents à un choix différent d'emplacements d'injection.

Les scientifiques travaillent déjà sur une nouvelle étude pour les aider à comprendre les impacts possibles de la géo-ingénierie sur les phénomènes régionaux, comme les moussons asiatiques.

"Nous sommes encore loin de comprendre toutes les interactions dans le système climatique qui pourraient être déclenchées par la géo-ingénierie, ce qui signifie que nous ne comprenons pas encore toute la gamme des effets secondaires possibles, " a déclaré Simone Tilmes, scientifique du NCAR, un auteur principal. "Mais le changement climatique présente également des risques. La poursuite des recherches sur la géo-ingénierie est essentielle pour évaluer les avantages et les effets secondaires et pour informer les décideurs et la société."