Impact du transport des émissions de l'aviation sur le climat et la qualité de l'air

Impact of transport of aviation emissions on climate and air quality

• Auteur / Autrice : Nicolas Fevrier
• Direction : Didier Hauglustaine, Nicolas Bellouin
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Géosciences
• Date : Inscription en doctorat le 01/11/2022
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences de l'environnement d'Île-de-France
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des Sciences du Climat et de l'Environnement - DRF
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Modelling the Earth Response to Multiple Anthropogenic Interactions and Dynamics (MERMAID)
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Université de Versailles-Saint-Quentin-en-Yvelines

Mots clés

Mots clés libres

Climat

Qualité de l'air

Aviation

Aérosols

Modélisation

Atmosphère

Climate

Air quality

Aviation

Aerosols

Modelling

Atmosphere

Résumé

Les avions émettent de nombreux composés qui influencent le bilan radiatif de la Terre, directement ou indirectement, et donc contribuent au changement climatique. On distingue traditionnellement la contribution du dioxyde de carbone (CO2) des contributions dites « non-CO2 », qui sont : • Les cirrus induits par certaines traînées de condensation formées derrière les avions ; • L'action des émissions d'oxydes d'azote (NOx) de l'aviation sur les concentrations en ozone et méthane ; • Les interactions entre les aérosols de l'aviation et le rayonnement et les nuages ; • Les émissions de vapeur d'eau par l'aviation dans la stratosphère. Une évaluation récente du forçage radiatif effectif de l'aviation en 2018 [Lee et al., 2021] a quantifié toutes ces contributions, sauf celle des interactions aérosols-nuages, qui ne sont pas suffisamment bien comprises et représentées dans les modèles climatiques. Le CO2 exerce un forçage relativement bien quantifié de 34.3 (intervalle de confiance a 90% : 28 à 40) mW m−2. Le non-CO2, sans les interactions aérosols-nuages, exerce un forçage potentiellement plus fort mais plus incertain de 66.6 (21 à 111) mW m−2. L'aviation a donc le triple défi de (1) se décarboner, (2) atteindre net-zéro CO2 sans augmenter les effets non-CO2, et (3) éliminer ces effets non-CO2. Ces deux derniers points impliquent une réduction de l'incertitude sur le forçage non-CO2 grâce à une meilleure compréhension des mécanismes physiques et chimiques pertinents, et une meilleure représentation de ces mécanismes dans les modèles de climat. C'est avec cet objectif que la Direction Générale de l'Aviation Civile du ministère de la Transition écologique finance le projet Climaviation (https://www.climaviation.fr) pour la période 2021-2026. Le projet est un partenariat entre la recherche climatique de l'Institut Pierre Simon Laplace (IPSL) et la recherche aéronautique de l'Office National d'Etudes et de Recherches Aérospatiales (ONERA). Ce projet de thèse s'inscrit dans le projet Climaviation. L'objectif est de mieux comprendre le transport des émissions gazeuses et particulaires de l'aviation. Ce transport est distinct de celui des sources de pollution à la surface car les émissions se font en haute altitude, autour de 10 km pour les vols intercontinentaux. Pour débroussailler le terrain, un stage de M2 a utilisé des traceurs passifs de type aérosol soluble dans le modèle de climat LMDZ pour déterminer que : - Le temps de résidence des traceurs dans l'atmosphère est sensiblement allongé si ces traceurs parviennent à pénétrer dans la stratosphère, ou sont émis directement dans la stratosphère. - Les traceurs émis aux latitudes moyennes de la haute troposphère / basse stratosphère sont entrainés dans la zone de subsidence de la circulation générale, atteignant la couche limite dans les tropiques. - Le temps de résidence des traceurs ayant atteint la couche limite est déterminé par le taux de précipitation de ces régions tropicales. Ce projet de thèse va donc se focaliser sur les échanges entre troposphère et stratosphère, et au devenir des traceurs dans la couche limite. L'outil de travail principal sera le modèle de chimie-climat LMDZ-INCA, dans sa version avec prescription des oxydants. La version a 79 niveaux verticaux sera utilisée afin de bénéficier d'une bonne résolution de la couche limite et de la haute troposphère (1 km de résolution verticale). Didier Hauglustaine est l'un des développeurs du modèle LMDZ-INCA, et pourra former l'étudiant(e) à son utilisation. La direction et l'étendue du projet dépendra des aptitudes et des intérêts scientifiques de l'étudiant(e), mais les questions scientifiques principales peuvent déjà être identifiées. En basse atmosphère, ces questions seront : - Quelles sont les régions de destination des émissions de l'aviation en fonction des couloirs aériens ? - Quel est l'impact de la partie aérosol de ces émissions sur la formation des nuages, notamment les stratocumulus tropicaux ? Quel est le forçage radiatif associé ? - Quel est l'impact des aérosols et des gaz oxydants émis par l'aviation sur la qualité de l'air des régions de destination, notamment les régions à fort potentiel d'oxydation, comme la Chine ? Ce travail, et notamment le second point, bénéficiera des simulations Large Eddy Simulation effectuées par un chercheur postdoctoral de Climaviation, sous la direction de Nicolas Bellouin, afin de comprendre comment des aérosols qui atteignent la couche limite par le haut peuvent être « réinjectés » dans les courants ascendants où se forment les nuages. En haute atmosphère, les questions seront : - Comment varient les échanges troposphère-stratosphère en fonction de l'altitude des émissions ? - Quelle est le temps de résidence de la vapeur d'eau émise par l'aviation dans la stratosphère ? Ce temps de résidence est-il affecté par la sédimentation de l'eau condensée ? Ce travail sera en lien avec les activités du projet européen MOREandLESS, qui étudie les impacts environnementaux de l'aviation hypersonique. Un chercheur postdoctoral sera en place au LSCE en 2023, sous la direction de Didier Hauglustaine. L'étudiant(e) bénéficiera également de simulations multi-modèles effectuées dans le cadre de MOREandLESS pour quantifier l'impact du modèle utilisè sur les variations des échanges troposphère-stratosphère et du temps de résidence de l'eau dans la stratosphère.

Aircraft emit many compounds that influence the Earth's radiation balance, directly or indirectly, and thus contribute to climate change. Traditionally, a distinction is made between the contribution of carbon dioxide (CO2) and so-called 'non-CO2' contributions, which are : • Cirrus clouds induced by some of the contrails that form behind aircraft. • The action of nitrogen oxide (NOx) emissions from aviation on ozone and methane concentrations. • Interactions between aviation aerosols and radiation and clouds. • Aviation water vapour emissions in the stratosphere. A recent assessment of the effective radiative forcing from aviation in 2018 [Lee et al., 2021] quantified all of these contributions except aerosol-cloud interactions, which are insufficiently understood and poorly represented in climate models. CO2 exerts a relatively well quantified forcing of 34.3 (90% confidence interval: 28 to 40) mW m-2. Non-CO2, without aerosol-cloud interactions, exerts a potentially stronger but more uncertain forcing of 66.6 (21 to 111) mW m-2. Aviation thus has the triple challenge of (1) decarbonising, (2) achieving net-zero CO2 without increasing non-CO2 effects, and (3) eliminating these non-CO2 effects. These last two points imply a reduction in uncertainty on non-CO2 forcing through a better understanding of the relevant physical and chemical mechanisms, and a better representation of these mechanisms in climate models. It is with this objective that the French Directorate General of Civil Aviation of the Ministry of Ecological Transition is funding the Climaviation project (https://www.climaviation.fr) for the period 2021-2026. The project is a partnership between the climate research of the Institut Pierre Simon Laplace (IPSL) and the aeronautical research of the Office National d'Etudes et de Recherches Aérospatiales (ONERA). This thesis project is part of the Climaviation project. The objective is to better understand the transport of gaseous and particulate emissions from aviation. That transport is distinct from that of pollution sources at the surface because emissions occur at high altitude, around 10 km for intercontinental flights. To explore the topic, an M2 internship used passive soluble aerosol tracers in the LMDZ climate model to determine that : • The residence time of tracers in the atmosphere is significantly longer when these tracers manage to enter the stratosphere, or are emitted directly into the stratosphere. • Tracers emitted at mid-latitudes of the upper troposphere/lower stratosphere are carried into the subsidence zone of the general circulation, reaching the boundary layer in the tropics. • The residence time of the tracers reaching the boundary layer is determined by the precipitation rate in these tropical regions. This thesis project will therefore focus on the exchange between troposphere and stratosphere, and the fate of tracers in the boundary layer. The main working tool will be the chemistry-climate model LMDZ-INCA, in its version with prescribed oxidants. The version with 79 vertical levels will be used in order to benefit from a good resolution of the boundary layer and the upper troposphere (1 km vertical resolution). Didier Hauglustaine is one of the developers of the LMDZ-INCA model, and will be able to train the student in its use. The direction and scope of the project will depend on the student's scientific skills and interests, but the main scientific questions can already be identified. In the lower atmosphere, these questions will be • What are the destination regions of aviation emissions in relation to flight corridors? • What is the impact of the aerosol part of these emissions on cloud formation, especially tropical stratocumulus? What is the associated radiative forcing? • What is the impact of aerosols and oxidising gases emitted by aviation on the air quality of the destination regions, especially regions with a high oxidation potential, such as China? This work, and in particular the second point, will benefit from Large Eddy Simulations carried out by a Climaviation postdoctoral researcher, under the direction of Nicolas Bellouin, in order to understand how aerosols that reach the boundary layer from above can be 're-injected' into the updrafts where clouds form. In the upper atmosphere, the questions will be: • How do troposphere-stratosphere exchanges vary with the altitude of emissions? • What is the residence time of water vapour emitted by aviation in the stratosphere? Is this residence time affected by the sedimentation of condensed water? This work will be linked to the activities of the European project MOREandLESS, which studies the environmental impacts of hypersonic aviation. A postdoctoral researcher will be in place at LSCE in 2023, under the direction of Didier Hauglustaine. The student will also benefit from multi-model simulations carried out in the framework of MOREandLESS to quantify the impact of the model used on the variations of troposphere-stratosphere exchanges and of the residence time of water in the stratosphere.