Génie climatique avec aérosol de sulfate stratosphérique : l'élaboration et l'application d'un modèle global atmosphère-aérosol pour l'étude de l'efficacité et des impacts potentiels

Climate engineering with stratospheric sulphate aerosol : development and application of a global atmosphere-aerosol model for studying potential efficacy and impacts

• Auteur / Autrice : Christoph Kleinschmitt
• Direction : Olivier Boucher, Ulrich Platt
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de l'Environnement
• Date : Soutenance le 21/12/2017
• Etablissement(s) : Paris 6 en cotutelle avec Ruprecht-Karls-Universität (Heidelberg, Allemagne)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de l'environnement d'Île-de-France (Paris ; 1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de météorologie dynamique (Palaiseau ; 1968-....) - Institute of Environmental Physics [Heidelberg] / IUP
• Jury : Président / Présidente : Ulrich Schwarz
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Hervé Douville, Thierry Fouchet
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Ulrike Lohmann

Mots clés

Mots clés contrôlés

Aérosols atmosphériques

Géo-ingénierie

Mots clés libres

Géo-ingénierie

Aérosols

Stratosphère

Modèle atmosphérique LMDZ

Éruption volcanique

Sulfate

Climate engineering

LMDZ atmospheric model

Volcanic eruption

Résumé

L'augmentation artificielle de la couche stratosphérique d'aérosol de sulfate a été proposée comme méthode pour réduire le réchauffement climatique causé par les émissions anthropiques de gaz à effet de serre. Dans cette thèse, nous présentons un modèle global atmosphère-aérosol nouvellement développé, évaluons sa performance par rapport aux observations et l'appliquons pour étudier l'efficacité et les impacts de cette forme possible d'ingénierie climatique. Nous trouvons que l'effet de refroidissement réalisable par unité de masse de soufre injectée peut diminuer de façon plus drastique qu'estimé précédemment pour des taux d'injection élevés et que des injections à plus haute altitude ou dans des régions plus grandes n'entraînent pas un refroidissement plus fort. L'efficacité de la méthode pourrait donc être plutôt limitée, tout au moins dans les cas d'injections tropicales de dioxyde de soufre que nous avons modélisées. Par ailleurs, il existe plusieurs effets secondaires potentiellement nocifs, tels que le chauffage stratosphérique dû à l'absorption de rayonnement par l'aérosol provoquant de fortes perturbations dans la dynamique atmosphérique, la composition chimique de la stratosphère et les nuages hauts. Enfin, nous trouvons que les effets radiatifs de l'injection d'aérosol stratosphérique et de l'éclaircissement des nuages marins, une autre technique de géo-ingénierie proposée, seraient largement additifs et complémentaires lors de leur application parallèle. Cela pourrait permettre de concevoir un port-folio d'approches pour atteindre des objectifs climatiques spécifiques et réduire les effets secondaires indésirables de l'ingénierie climatique.

The enhancement of the stratospheric sulphate aerosol layer has been proposed as a method to abate the global warming caused by anthropogenic greenhouse gas emissions. In this thesis we present a newly developed global atmosphere-aerosol model, evaluate its performance against observations, and apply it to study the effectiveness and impacts of this possible form of climate engineering. We find that the achievable cooling effect per injected sulphur mass unit may decrease more drastically for larger injections than previously estimated and that injections at higher altitude or over larger areas do not result in a stronger cooling. The effectiveness of the method may therefore be rather limited, at least when using tropical injections of sulphur dioxide as in our model experiments. In addition, there are several potentially harmful side effects, such as stratospheric heating due to absorption of radiation by the aerosol causing strong perturbations in atmospheric dynamics, composition, and high-level clouds. Furthermore, we find that the radiative effects of stratospheric aerosol injection and marine cloud brightening, another proposed geoengineering technique, would be largely additive and complementary when applying them together. This might allow the design of portfolio approaches to achieve specific climate goals and reduce unintended side effects of climate engineering.