Kevin Wolf et al. (2023): Estimations du potentiel de formation de contrails – aujourd’hui et dans le futur – dérivées des observations de radiosondes représentant la région parisienne.

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Au cours des cent dernières années, le transport aérien est devenu un moyen de transport habituel et le nombre de vols a augmenté chaque année. Cela a un coût et l’aviation mondiale contribue au réchauffement climatique par de multiples facteurs. Le premier facteur qui vient à l’esprit est le CO₂, l’aviation étant responsable de 2,5 à 2,6 % du total des émissions anthropiques de CO₂ d’origine fossile en 2018 (Friedlingstein et al (2019), Lee et al (2021), Boucher et al (2021)). En plus du CO₂, la combustion de combustibles fossiles dans les moteurs à réaction libère des quantités importantes de vapeur d’eau dans l’atmosphère.

Cette vapeur d’eau supplémentaire peut former des traînées de condensation qui émergent derrière les avions (Schumann (1996), Kärcher (2018)). La plupart du temps, ces traînées disparaissent en quelques secondes ou minutes, mais elles peuvent persister jusqu’à une journée en fonction des conditions environnementales (Jensen et al (1994), Schumann (1996), Haywood et al (2009)).

Le critère de Schmidt-Appleman (SAc ; Schmidt (1941), Appleman (1953)) permet généralement d’estimer si une traînée de condensation peut se développer. Si l’air ambiant est suffisamment humide et froid, les gouttelettes d’eau liquide dans le panache d’échappement gèlent en cristaux de glace et forment la traînée de condensation. Pour que ces nuages artificiels soient persistants, l’air ambiant doit être sursaturé par rapport à la glace dans les régions dites sursaturées en glace (Ice Supersaturated Region, ISSR, en anglais).

Alors que les traînées de condensation semblent négligeables, les modèles climatiques et les observations par satellite suggèrent que les traînées de condensation augmentent artificiellement la couverture nuageuse mondiale de 6 à 10 % aux latitudes moyennes de l’hémisphère nord, avec des effets conséquents sur le climat mondial (Burkhardt and Kärcher (2011), Quaas et al (2021)). Même si l’ampleur exacte dépend des conditions ambiantes, dans la plupart des cas, les traînées de condensation réchauffent l’atmosphère terrestre. Par conséquent, la formation de traînées devrait être évitée.

Nous avons analysé un ensemble de données sur huit ans d’observations de radiosondes (RS) lancées depuis Trappes, en France. Les profils RS disponibles ont été marqués pour leur potentiel à former des traînées de condensation non persistantes (NPC) et des traînées de condensation persistantes (PC). Pour cette étude, nous avons introduit une nouvelle, troisième catégorie, appelée “réservoir”, qui ne remplit pas la SAc mais qui est néanmoins sursaturée en glace. Ce réservoir fournit une estimation de la propagation potentielle des traînées de condensation existantes au-delà des régions sujettes à la formation de NPC et de PC.

Un fait intéressant et contre-intuitif : rendre les moteurs à réaction plus efficaces augmente généralement les chances de formation de traînées de condensation. L’efficacité accrue conduit à un panache d’échappement plus froid qui contient la même quantité de vapeur d’eau et, par conséquent, peut former des traînées de condensation à une température ambiante plus élevée et plus souvent. Si les moteurs plus efficaces émettent moins de CO₂ dans l’atmosphère, la fréquence plus élevée des traînées de condensation peut contribuer au réchauffement climatique.

En utilisant les profils RS de Trappes et en séparant les situations NPC, PC et R, nous avons trouvé la fréquence d’occurrence la plus élevée pour les NPC qui apparaissent dans jusqu’à 60% de tous les profils en hiver. En revanche, un minimum est atteint en été. Les PC apparaissent généralement moins fréquemment et sont identifiés dans 30 à 40% des profils tout au long de l’année. Les conditions de réservoir sont encore plus rares et se retrouvent dans environ 20% des profils.

Pour estimer l’occurrence réelle des traînées de condensation, nous avons combiné les informations sur le potentiel de formation des traînées de condensation avec le trafic aérien réel au-dessus de Paris. Les profils résultants sont toujours dominés par le NPC, surtout en hiver et au printemps. Pour l’été, une importance croissante des PC est déterminée, car ils se chevauchent avec l’altitude du trafic aérien le plus élevé. La catégorie des réservoirs n’apparaît qu’en été et en automne, et est négligeable pendant les autres saisons.

Pour répondre à la question de savoir s’il faut voler à des altitudes plus élevées ou plus basses pour éviter les traînées de condensation, la distribution actuelle du trafic aérien est décalée. L’augmentation de l’altitude de vol de 0,8 km réduit la formation de traînées de condensation en hiver, tandis qu’une réduction de l’altitude de vol en été est nécessaire pour minimiser la formation potentielle de traînées de condensation. Néanmoins, il faut garder à l’esprit que les avions fonctionnent déjà dans leur plage d’altitude optimale et que les déviations maximales vers des altitudes plus basses ou plus élevées sont limitées par l’augmentation de la densité de l’air et de la traînée aérodynamique (limite inférieure) ainsi que par le vol dans la stratosphère (limite supérieure).

Nous avons également examiné les liens entre la formation des traînées de condensation et la tropopause thermique (TT) et le jet-stream (vents forts et persistants à environ 10 km d’altitude dans lesquels les avions ont tendance à voler pour économiser du carburant). L’altitude médiane des NPC est située au niveau de la TT (été) et jusqu’à 1,5 km au-dessus de la TT (hiver). Les NPC sont situés entre -2 km (hiver) et -1 km en dessous du TT (été). En ce qui concerne le jet-stream, l’altitude médiane des NPC est de 2 km (hiver) et de 1 km (été) au-dessus du jet-stream. Les PC sont identifiés comme étant à la même altitude que le jet-stream, suivant également la variation interannuelle de sa localisation.

L’industrie aéronautique cherche à devenir plus respectueuse de l’environnement et a commencé à développer de nouveaux systèmes de propulsion qui utilisent des carburants alternatifs comme l’éthanol, le méthane ou l’hydrogène. Ces carburants ont d’autres caractéristiques que le kérosène actuel et, par conséquent, d’autres seuils pour la formation de traînées. Dans l’étude décrite, nous supposons que l’hydrogène est brûlé dans des moteurs comparables à la technologie actuelle, plutôt qu’utilisé dans une pile à combustible. Sur cette base, nous avons estimé l’influence de ces carburants sur la probabilité de formation potentielle de traînées de condensation. Le passage à l’un ou l’autre des carburants alternatifs conduit à une augmentation générale des traînées potentiels, en particulier des NPC. La plus grande augmentation a été trouvée pour l’hydrogène avec une augmentation de 155% en été. Pour le PC, l’augmentation est moins significative. La combinaison de l’augmentation mineure de la formation de PC et du carburant hydrogène potentiellement neutre en CO₂, s’il est produit avec de l’énergie renouvelable, fait des avions à hydrogène une solution attrayante.

Nous aimerions guider le lecteur intéressé vers la publication dont le lien figure ci-dessus et qui contient tous les détails de l’étude.