La contribution de l’aviation au réchauffement climatique est pour une large part liée à la combustion pendant le vol du kérosène. Mais il existe d’autres effets, dénommés effets non-CO2, en particulier celui des traînées de condensation, qui peuvent soit accentuer, soit réduire la contribution de l’aviation au réchauffement climatique. Ces effets sont encore mal connus et donnent lieu à controverse. Nicolas Bellouin et Olivier Boucher font le point sur l’état des connaissances et sur les mesures préventives qu’il peut être envisagé de prendre.
Les traînées de condensation et cirrus induits
Les traînées de condensation sont des nuages de glace que l’on observe souvent derrière les avions (figure 1). Elles sont le seul type de nuage reconnu par l’Organisation météorologique mondiale comme étant d’origine anthropique, sous le nom scientifique cirrus homogenitus. Les traînées sont en effet artificielles. Elles se forment lorsque la vapeur d’eau et les suies issues de la combustion du kérosène forment des gouttes d’eau dans le panache chaud des moteurs. Ces gouttes d’eau gèlent en cristaux de glace lorsque le panache se mélange avec l’atmosphère ambiante qui a une température entre −50 et −70 °C aux altitudes de croisière.
L’évolution des traînées est cruciale pour leur impact climatique et dépend des conditions atmosphériques. Dans une atmosphère sèche, les traînées ne durent que quelques minutes et couvrent une petite surface. Leur impact climatique est alors négligeable. En revanche, dans les régions sursaturées par rapport à la glace (en anglais Ice Supersaturated Regions ou ISSRs), les traînées persistent, s’étendent, et forment des champs de cirrus induits. C’est dans cette phase que l’impact climatique est potentiellement important.
Les traînées et cirrus induits ont deux effets antagonistes sur le bilan énergétique terrestre. D’un côté, leurs cristaux de glace réfléchissent le rayonnement solaire, causant une perte d’énergie pour le système Terre, ce qui conduit à refroidir le climat. De l’autre, le fort contraste entre la température des traînées et des cirrus induits, qui sont très froids, et la température de la surface cause un effet de serre qui ajoute de l’énergie au système et réchauffe le climat. Une traînée donnée sera ainsi réchauffante ou refroidissante en fonction des amplitudes relatives de ces deux effets qui dépendent des propriétés et de la durée de vie de la traînée et des conditions externes (présence d’autres nuages, heure de la journée, etc.).
Forçage radiatif des cirrus induits et réponse climatique
On nomme forçage radiatif la modification du bilan énergétique de la Terre exercée par une perturbation donnée, comparée à une situation préindustrielle de référence. Le changement climatique en cours se produit en réponse à de multiples forçages. Un forçage radiatif positif conduit à un réchauffement et un forçage radiatif négatif conduit à un refroidissement. La figure 2 montre la distribution du forçage radiatif des cirrus induits simulée par le modèle climatique de l’IPSL. Les forçages sont forts sur l’Amérique du Nord et l’Europe, où le trafic aérien est élevé, et l’Atlantique Nord, où les altitudes de vol sont élevées et la haute atmosphère est humide. Les forçages sont faibles sur la Chine et l’Inde, où l’air est plus sec et les altitudes de vol plus basses.
L’évaluation du forçage radiatif total de l’aviation la plus récente a porté sur l’année 2018 et a considéré les émissions de l’aviation sur la période allant du début de l’aviation commerciale, en 1940, à 2018. Les résultats sont présentés sur la figure 3. Le forçage des cirrus induits est positif, donc réchauffant. Selon cette évaluation, il est estimé à 57 mW.m−2, soit plus de la moitié du forçage total de l’aviation de 101 mW.m−2. Les émissions de dioxyde de car-bone de l’aviation ne seraient qu’en deuxième position, à 34 mW.m−2. Cependant, les incertitudes des effets non-CO2 sont très importantes. Les cirrus induits pourraient ainsi représenter trois fois le forçage du CO2 ou n’en représenter que la moitié. La contribution de l’un des effets non-CO2, celle des interactions entre particules émises par les moteurs et les nuages naturels, est si incertaine qu’elle n’a pas pu être évaluée.
L’histogramme de la figure 3 ne donne cependant pas toute l’information nécessaire pour quantifier l’impact climatique des cirrus induits, notamment en termes de réchauffement de la température globale à la surface.
Tout d’abord, les échelles de temps du forçage des cirrus induits et de celui du CO2 sont très différentes. Les cirrus induits n’exercent un forçage que pendant quelques heures avant de se dissiper. Leur forçage ne concerne donc que les cirrus induits formés en 2018, car les cirrus induits formés lors des années précédentes n’ont pas persisté jusqu’en 2018. Le CO2 exerce, lui, un forçage à court et long termes. Son forçage est exercé par la part de CO2 émis par l’aviation entre 1940 et 2018 qui était encore dans l’atmosphère en 2018. Comparer les deux forçages nécessite donc des méthodes spécifiques, appelées métriques d’équivalence.
L’histogramme de la figure 3 cache également que le forçage des cirrus induits est moins efficace à réchauffer la surface que celui du CO2. Selon un calcul récent par le modèle climatique du DLR allemand, 1 mW.m−2 de forçage des cirrus induits ne produirait que 38 % ±25 % du réchauffement exercé par 1 mW.m−2 de forçage par le CO2. Cette faible efficacité s’explique par deux raisons principales. Premièrement, les traînées et cirrus induits retirent de l’humidité de l’atmosphère, provoquant alors dans les heures qui suivent leur formation une diminution temporaire de la couverture nuageuse naturelle. Cela contrebalance une partie du forçage initial. Deuxièmement, les cirrus induits se développent généralement plus haut que les systèmes convectifs qui redistribuent l’énergie dans l’atmosphère. Le transfert vers la surface de l’énergie associée aux cirrus induits est donc moins efficace que pour un forçage plus uniforme comme celui du CO2. Si elle est confirmée, une faible efficacité du forçage des cirrus induits diminuerait l’importance climatique de ce forçage. En plus des représentations des traînées dans les modèles de climat, qui sont coûteux en temps de calcul et peu adaptés à l’estimation de l’impact climatique d’un vol donné, il existe des modèles simplifiés de prédiction et d’évolution des traînées. Un modèle particulièrement utilisé est le modèle CoCiP du DLR allemand. Des travaux sont en cours pour en améliorer la phase de formation, en l’adaptant par exemple aux carburants d’aviation durables (CAD ou SAF en anglais) et aux technologies de combustion pauvre. Mais il sera également nécessaire d’améliorer la phase cirrus induit, qui dépend surtout des conditions atmosphériques et domine le forçage global et son incertitude.
Solutions de réduction du forçage des traînées et cirrus induits
Une réduction du forçage des cirrus induits est attirante du point de vue de la mitigation du changement climatique car l’action à court terme de ce forçage entraîne une réponse rapide de la température de surface. L’aviation est actuellement responsable d’un réchauffement d’environ 0,06 °C, qui pourrait augmenter à 0,25 °C en 2050 si le trafic aérien augmente comme prévu dans les décennies à venir, sans changement technologique majeur. Réduire de moitié à partir de 2030 le forçage des cirrus induits, ce qui serait équivalent à supprimer le forçage au-dessus de l’Amérique du Nord, l’Atlantique Nord et l’Europe, réduirait le réchauffement dû à l’aviation de 0,03 °C en 2050, soit une réduction de 3 à 4 % du réchauffement total dû aux activités humaines attendu sur cette période.
Deux solutions de réduction du forçage des cirrus induits font l’objet d’attentions particulières par les chercheurs et l’industrie. La première solution est de changer la composition du carburant. Dans le cas du kérosène, les traînées se forment par condensation préférentielle de vapeur d’eau sur les particules de suies. Produire moins de suies, en utilisant des CAD ou du kérosène désaromatisé, devrait donc permettre de former moins de cristaux de glace et des traînées à impact climatique moindre. Cependant, l’impact dépend de la technologie de combustion utilisée. Les moteurs les plus propres, qui émettent très peu de suies même en brûlant du kérosène, permettent à d’autres particules formées dans le panache des moteurs, notamment des particules soufrées, de prendre le relais des suies et de former des cristaux. Dans ce cas, l’utilisation de CAD, qui ne contiennent pas de soufre, ou de kérosène désulfurisé permettrait de réduire de nouveau la formation des cristaux. Il reste cependant des questions ouvertes sur le rôle des particules déjà présentes dans l’atmosphère, le rôle des particules organiques formées dans le panache des moteurs et le rôle des gouttes d’huile de lubrification. La seconde solution consiste à éviter de voler dans les régions de l’atmosphère où se forment les traînées réchauffantes. C’est une idée qui a plus de 20 ans mais qui est très étudiée actuellement en Europe et aux États-Unis. Elle est motivée par le fait que pour certains vols ou certains groupes de vols, l’effet de serre dû aux traînées et cirrus induits peut être disproportionné par rapport à l’effet de serre dû au CO2 émis. Identifier ces vols est facilité par la certitude que les traînées et les cirrus induits dont le cycle de vie a lieu de nuit réchauffent le climat, car il n’y a pas de refroidissement par réflexion de rayonnement solaire la nuit. De plus, les modèles suggèrent qu’un petit nombre de vols sont responsables de la majorité du forçage total des cirrus induits. Suivant les études, on estime que 2 à 20 % des vols exercent 80 % du forçage radiatif.
La position dans l’atmosphère des régions sursaturées par rapport à la glace, où se forment les traînées persistantes, est très variable spatialement et temporellement. On peut envisager de les contourner sur la verticale, l’horizontale, ou les deux à la fois. Cependant, il est attendu que de tels changements de trajectoire augmenteront souvent la consommation de carburant, donc les émissions de CO2, nécessitant de chiffrer le compromis entre gain dû à l’évitement des traînées et coût climatique de la surconsommation.
La figure 4 illustre une optimisation climatique de la trajectoire d’un vol. La trajectoire qui minimise le temps de vol en recherchant des vents favorables a un coût climatique CO2 et non-CO2 très important, de 514 tonnes de CO2 équivalent, car elle traverse deux régions où les traînées et leurs cirrus induits sont très réchauffants. Éviter ces régions par une combinaison de reroutages verticaux et horizontaux réduit le coût climatique de ce vol à 224 tonnes de CO2 équivalent, au prix d’une augmentation de consommation de carburant de 1 %. Il y a bien sûr de nombreuses sources d’incertitudes dans ce calcul, provenant notamment des modèles de calcul de l’impact climatique des traînées et des prévisions météorologiques. Mais une analyse des risques permettrait de maîtriser son action et les gains et pertes potentiels.
Conclusions
Un nombre grandissant d’éléments indique qu’une partie des traînées réchauffe le climat de manière substantielle par rapport au CO2 émis par les vols concernés et que le potentiel de réduction est réel, quel que soit l’équivalent CO2 choisi. Il faut désormais avancer en parallèle sur la recherche atmosphérique et la prévision météorologique des régions sursaturées, les aspects institutionnels (par exemple, le Monitoring/Reporting/Verification du non-CO2 qui a commencé pour tous les vols européens le 1er janvier 2025) et la mise en œuvre opérationnelle de l’évitement par les différents acteurs. Les questions scientifiques principales touchent à l’additivité des effets, c’est-à-dire de déterminer si rerouter 1 vol sur 10 limiterait l’impact de 10 % ou moins ; de décider s’il faut inciter les compagnies à réduire elles-mêmes ces effets ou en faire une mission du contrôle aérien ; de définir des méthodes pour identifier les cas présentant peu de risque de mauvais reroutage ; et enfin de concevoir les systèmes d’observation qui permettraient de vérifier les effets du reroutage.
