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Publications du projet Climaviation

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.

L’article complet écrit par Kevin Wolf, Nicolas Bellouin and Olivier Boucher est à retouver sur:
https://acp.copernicus.org/articles/23/287/2023/acp-23-287-2023.html

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.

La figure montre que les traînées de condensation persistantes ont tendance à apparaître près du jet-stream, là où les avions veulent généralement voler, alors que les traînées non-persistantes apparaissent plus haut que le jet-stream.

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.

Boucher et al. (2021) : Quelle fraction du forçage radiatif du CO2 peut être attribuée à l’aviation ?

L’article complet écrit par Olivier Boucher, Audran Borella, Thomas Gasser et Didier Hauglustaine est à retouver sur:
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1352231021005847

Estimer la part du forçage radiatif du CO2 qui peut être attribuée au secteur de l’aviation peut sembler facile. En effet, les émissions de CO2 de l’aviation sont bien connues, l’augmentation de la concentration atmosphérique de CO2 est bien observée et les impacts radiatifs du CO2 sont bien compris et quantifiés. Cependant, il existe également un certain nombre de facteurs de complication : le forçage radiatif du CO2 dépend logarithmiquement de la variation de la concentration atmosphérique et l’efficacité des puits naturels de CO2 évolue dans le temps. Tous ces effets doivent être pris en compte si l’on veut procéder à une attribution correcte.

Une méthode populaire, utilisée par Lee et al. (2021) et d’autres, est la méthode d’attribution résiduelle, par laquelle le forçage radiatif pour un secteur particulier (le secteur de l’aviation dans ce cas) est calculé comme la différence entre le forçage radiatif total du CO2 et le forçage radiatif du CO2 si ce secteur particulier n’avait pas existé. Cependant, cette méthode présente un inconvénient majeur qui n’a pas été pris en compte par les auteurs précédents. Le forçage radiatif du CO2 n’étant pas linéaire en fonction de la concentration, le forçage radiatif total de tous les secteurs considérés ensemble n’est pas le même que la somme des forçages radiatifs de chaque secteur considéré individuellement. En outre, l’aviation se distingue de nombreux autres secteurs en ce qu’elle est apparue relativement tard dans la période industrielle. Il est donc essentiel de différencier l’impact des émissions précoces et tardives car elles ne contribuent pas de la même manière à la concentration atmosphérique et au forçage radiatif actuels. L’aviation a commencé il y a seulement quelques décennies, ses émissions peuvent donc contribuer relativement plus à la variation des concentrations de CO2, mais relativement moins au forçage radiatif du CO2 en raison de la dépendance logarithmique.

Différentes méthodes existent pour résoudre ces problèmes. Dans cette étude, nous avons utilisé les méthodes d’attribution proportionnelle, différentielle et par tranches de temps. Les deux dernières méthodes nécessitent de calculer la concentration de CO2 au temps t due aux émissions de l’aviation et de toutes les activités anthropiques jusqu’à un temps t’ avant le temps t. Nous avons utilisé le modèle compact du système terrestre OSCAR et les données historiques des émissions de CO2 pour estimer les différentes valeurs. Cela nous permet de tenir compte de la façon dont la concentration de CO2 diminue lorsque les puits naturels séquestrent le CO2 émis au fil du temps.

Nous avons constaté que les méthodes les plus rigoureuses (les méthodes proportionnelle, différentielle et par tranches de temps) conduisent à un forçage radiatif du CO2 par l’aviation supérieur de 20 %, 13 % et 12 % à la méthode marginale qui sous-estime le véritable forçage radiatif du CO2 par l’aviation. Toutefois, cela est compensé par la contribution plus faible à l’augmentation de la concentration atmosphérique de CO2 que nous avons estimée à l’aide de notre modèle bien calibré. Nous estimons que l’aviation a contribué à hauteur de 2,18 ppm à l’augmentation de la concentration atmosphérique de CO2 en 2018, ce qui est inférieur aux valeurs de 2,9, 2,4 et 2,4 ppm trouvées dans une étude précédente reposant sur des modèles moins sophistiqués. Notre étude fournit donc une base et une méthodologie claires pour les évaluations futures de l’impact de l’aviation sur le cycle du carbone et le forçage radiatif du CO2.