Le double jeu des aérosols

L’amélioration de la qualité de l’air que l’on
respire suppose, on s’en doute, moins de
particules en suspension. Paradoxe, leur
présence agit aussi, à l’inverse, contre le
réchauffement du climat ! En effet, en rai-
son de leur pouvoir réfléchissant, ces petites particu-
les, dites aérosols atmosphériques, ont contribué à
refroidir l’atmosphère depuis une centaine d’années.
Mais en sera-t-il toujours ainsi ? La tendance à la dimi-
nution des émissions d’aérosols va-t-elle accentuer le
réchauffement en cours ? Questions brûlantes à l’heure
où les effets du changement climatique commencent
à se faire sentir et que les normes environnementales
se durcissent. À cet effet, on aimerait en savoir plus et
connaître dans le détail les effets climatiques de ces
particules. Et là, les choses se corsent.
Car il y a aérosols et aérosols. Les uns – dits « primai-
res » – sont émis dans l’atmosphère comme particules,
solides ou liquides. Ce sont par exemple les embruns
projetés par la friction du vent sur l’océan, les poussiè-
res arrachées aux déserts par le vent, les cendres vol-
caniques, la fumée des feux de végétation, les poussiè-
res industrielles, ou encore les aérosols carbonés issus
de la combustion des énergies fossiles. Leur diamètre
varie en général de 1 à 10 micromètres, exception faite
des aérosols carbonés, plus petits.
D’autres sont créés dans l’atmosphère par la conden-
sation de gaz. Le diamètre de ces aérosols « secon-
daires » n’excède pas le micromètre. Les plus connus
sont les aérosols soufrés, responsables des pluies aci-
des qui endommagèrent, voici quelques décennies,
les forêts européennes et nord-américaines. Ils sont
issus de l’oxydation du dioxyde de soufre produit à
40 | LA RECHERCHE | DÉCEMBRE 2007 | Nº 414
EN DEUX MOTS Chaque année, plusieurs
milliards de tonnes de fines particules sont
rejetés dans l’atmosphère par des phénomènes
naturels et les activités humaines. Ces aérosols
agissent sur le système climatique en filtrant
le rayonnement solaire, allongeant ainsi la
durée de vie des nuages. Leur effet refroidis-
sant a masqué une partie du réchauffement
climatique observé ces dernières décennies.
Olivier Boucher est directeur
de recherche au CNRS. Il travaille actuellement
au Met Office Hadley Centre, au Royaume-Uni.
[e-mail]
Certains refroidissent la surface de la Terre. D’autres réchauffent l’atmosphère tout
en influençant la formation des nuages. Les climatologues n’ont pas fini de s’inter-
roger sur le rôle des aérosols, particules en suspension.
Le double jeu
des aérosols
LES ACTIVITÉS HUMAINES
rejettent quantité de par-
ticules microscopiques
dans l’atmosphère dont
l’influence sur le système
climatique reste difficile
à quantifier.
CLIMAT  III
© JAYANTA SHAW/REUTERS

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et la troposphère sont en équilibre thermique. En
d’autres termes, les basses couches de l’atmosphère
ne peuvent se réchauffer sans qu’au final la surface
elle-même ne se réchauffe. Tout excès de chaleur est
automatiquement redistribué.
Cependant, même si la présence d’aérosols carbo-
nés peut réchauffer localement la surface, c’est l’effet
refroidissant qui domine à l’échelle du Globe. C’est
ce qu’ont montré Nicolas Bellouin, actuellement au
Met Office Hadley Centre, au Royaume-Uni, et ses
collègues [2]. Grâce aux mesures faites avec le spectro-
radiomètre MODIS qui équipe
le satellite américain Terra, ils
ont estimé la quantité d’éner-
gie réfléchie par les aérosols,
leur forçage radiatif*, à envi-
ron – 0,8 watt par mètre carré
(W/m2), contre + 2,6 W/m2 pour les gaz à effet de
serre. Mais cette valeur est nettement inférieure à celle
issue des modèles climatiques recensés par les experts
du Groupe d’experts intergouvernemental sur l’évolu-
tion du climat (GIEC). Lesquels prédisent un forçage
radiatif un peu moins négatif, de l’ordre de quelques
dixièmes de watt par mètre carré seulement.
Ce désaccord entre observations et prévisions est bien
embarrassant. Un forçage radiatif légèrement négatif
signifie que les aérosols n’ont que peu compensé le
réchauffement induit par l’accroissement des gaz
la fois par la combustion du charbon et des dérivés
du pétrole, et de celle du diméthylsulfure généré par
le phytoplancton marin. Appartiennent aussi à cette
famille les aérosols carbonés produits par l’oxyda-
tion des composés organiques volatils – les terpènes
notamment – rejetés par la végétation.
Au total, ce sont plusieurs milliards de tonnes d’aé-
rosols naturels et anthropiques qui sont émis chaque
année dans l’atmosphère. Mais contrairement aux gaz
à effet de serre (dioxyde de carbone, méthane, etc.) ils
restent relativement peu de temps dans l’atmosphère :
quelques jours dans la tropo-
sphère* et environ une année
dans la stratosphère* [1].
Quel rôle jouent-ils ? Les aéro-
sols naturels sont indispensa-
bles au bon fonctionnement
du système climatique et de la biosphère. D’abord, ils
transportent certains nutriments indispensables aux
écosystèmes marins et terrestres, fer et phosphore par
exemple. Surtout, ils diffusent et absorbent le rayon-
nement solaire. Ce rayonnement diffus pénètre alors
plus facilement la canopée : la répartition verticale
de la photosynthèse, et, par voie de conséquence,
la compétition entre les espèces en sont améliorées.
En outre, ce rayonnement diffus est en partie renvoyé
vers l’espace. Cet « effet direct » des aérosols contribue
à refroidir la planète.
Enfin, les aérosols entretiennent des liens étroits avec
les nuages : ils servent de noyaux de condensation aux
gouttelettes d’eau. Plus ils sont concentrés, plus les
gouttelettes sont nombreuses, plus le nuage qui en
résulte sera réfléchissant. Ce premier « effet indirect »
contribue également à refroidir la Terre. Mais il en
existe un second, qui favorise, lui, le réchauffement :
en multipliant et en rapetissant les gouttelettes d’eau,
ils diminuent l’efficacité des nuages pollués à préci-
piter, et augmentent ainsi leur durée de vie.
Équilibre thermique
Tout comme les particules d’origine naturelle, les
aérosols émis par les activités humaines influencent
le système climatique directement et indirectement.
Les aérosols soufrés, par exemple, diffusent efficace-
ment la lumière solaire. Mais ils sont aussi de très bons
noyaux de condensation. Deux effets refroidissants
qui ont contribué à limiter le réchauffement des der-
nières décennies, un point qui n’est plus contesté.
Mais le débat est toujours aussi vif sur le rôle, beau-
coup plus complexe, des aérosols carbonés. Ils diffu-
sent moins bien le rayonnement solaire que les aéro-
sols soufrés. En revanche, ils l’absorbent beaucoup
plus. Résultat : ils réchauffent l’atmosphère tout en
réduisant le rayonnement solaire à la surface. Laquelle
se refroidit donc. Et pourtant la surface de la Terre
Nº 414 | DÉCEMBRE 2007 | LA RECHERCHE | 41
[1] Y. Kaufman et al.,
Nature, 419, 215, 2002.
Olivier Boucher est directeur
de recherche au CNRS. Il travaille actuellement
au Met Office Hadley Centre, au Royaume-Uni.
[e-mail]
LA TERRE REÇOIT EN MOYENNE 342 WATTS PAR MÈTRE CARRÉ (W/m2) sous la
forme de rayonnement solaire. Seuls 168 W/m2 sont absorbés par la surface de
la Terre. Le reste est réfléchi ou absorbé par les nuages, les aérosols naturels et
les molécules de l’atmosphère (H2O, O2, O3, CO2, CH4, etc.). Les valeurs entre
parenthèses correspondent à la perturbation que créent les aérosols d’origine
anthropique dans cet équilibre thermique. © INFOGRAPHIE PASCAL PINEAU
Fig.1 Bilan radiatif de la Terre
*La troposphère
est la partie de
l’atmosphère
située entre la
surface du Globe
et 8 à 15 kilomètres
d’altitude, selon la
latitude et la saison.
*La stratosphère
est située au-dessus,
jusqu’à environ
40 kilomètres.
*Le forçage radiatif
est le pouvoir de
réchauffement (ou
de refroidissement
quand il est négatif)
de certaines
particules ou gaz
de l’atmosphère.
À l’échelle du Globe,
c’est l’effet refroidissant
des aérosols qui domine
CLIMAT  III

à effet de serre. Leur sensibilité climatique, c’est-à-
dire la réponse du système climatique à la perturba-
tion qu’ils occasionnent, est donc faible. À l’inverse,
un forçage radiatif fortement négatif implique que les
aérosols ont masqué une partie plus importante du
réchauffement climatique. Et leur sensibilité clima-
tique est plus forte.
L’incertitude est plus grande encore si l’on considère
l’effet indirect des aérosols. Les observations restent
trop parcellaires pour estimer son amplitude. Le
recours aux modèles s’impose donc. Mais là aussi
nous nous heurtons à de grosses difficultés. Car
la finesse des modèles climatiques actuels ne per-
met pas de représenter correctement les nuages et
la complexité des processus physiques en jeu. Dans
son quatrième rapport négocié en février dernier, le
GIEC estime néanmoins que les effets indirects des
aérosols induisent un forçage radiatif compris entre
– 1,8 et – 0,3 W/m2. La fourchette est large, mais si
la valeur la plus basse était la bonne, ces effets indi-
rects des aérosols masqueraient une grande partie du
forçage radiatif dû aux gaz à effet de serre !
Comment réduire l’incertitude ? On peut d’abord sim-
plifier la représentation des processus les plus incer-
tains : les mouvements de l’air qui génèrent les nuages,
les propriétés physiques de ces derniers, la façon dont
la pluie se forme, etc. Ensuite, on essaie de reproduire
dans les modèles les mesures effectuées sur les nuages
(taille et nombre des gouttelettes) et sur les aérosols
(quantité de particules dans une colonne d’air), ainsi
que les relations statistiques qui les lient.
Les premières estimations que nous avons fai-
tes l’an dernier avec Johannes Quaas, de l’institut
Max-Planck de Hambourg, en Allemagne, et Ulrike
Lohmann, de l’Institut fédéral de technologie de
Zurich, en Suisse, indiquent un forçage radiatif indi-
rect de l’ordre de – 0,5 W/m2 [3]. Ce chiffre, qui cor-
respond aux valeurs hautes des modèles, reste évi-
demment à confirmer.
Perturbations nuageuses
Une autre interrogation concerne l’impact, sur les pré-
cipitations, de la diminution de taille des gouttes d’eau,
le second effet indirect des aérosols dont nous parlions
précédemment. La question est, là encore, largement
débattue, faute de pleinement comprendre les proces-
sus en jeu. Théorie et observations suggèrent une dou-
ble action. En diminuant la taille des gouttelettes d’eau,
les aérosols affecteraient le processus de coagulation à
l’intérieur des nuages. En particulier, ils retarderaient
la formation de gouttelettes suffisamment grosses pour
tomber sous l’effet de la gravité. Ils influenceraient
également les nuages composés de glace sans que l’on
sache encore très bien comment.
Une première hypothèse, défendue par Daniel Rosenfeld
de l’université de Jérusalem, est que les aérosols anth-
ropiques empêchent la formation de précipitations
solides (neige, grêle, etc.), soit en inhibant les noyaux
glaçogènes* existants, soit en multipliant le nombre
de cristaux. Ceux-ci deviendraient alors trop petits
pour tomber. Selon une seconde hypothèse, émise par
l’Allemand Meinrat Andreae, de l’institut Max Planck
de Mayence, et ses collègues, les aérosols retarderaient
au contraire la précipitation d’eau liquide. Ce qui aurait
pour conséquence de renforcer la convection à l’inté-
rieur du nuage, de soulever son sommet, entraînant
ainsi une condensation accrue et de plus fortes préci-
pitations. Les observations ne permettent malheureu-
sement pas de trancher. Et finalement aucune étude
n’a montré que ce second effet indirect des aérosols
modifie la distribution spatiale des précipitations à
l’échelle régionale de manière significative.
Il y a plus compliqué encore. Les aérosols carbonés, et
en particulier la suie, peuvent se déposer sur les surfaces
[2] N. Bellouin et al.,
Nature, 438, 1138, 2005.
[3] J. Quaas, O. Boucher et
U. Lohmann, Atmospheric
Chemistry and Physics, 6,
947, 2006.
LA QUANTITÉ D’AÉROSOLS, mesurée selon « l’épaisseur optique » de l’atmosphère
par le microsatellite français Parasol, varie suivant les régions et les saisons.
En mars, seule émerge la pollution urbaine et industrielle asiatique. En septem-
bre, s’ajoutent la culture sur brûlis et la déforestation en Afrique centrale, en
Indonésie et en Amazonie. DATA : CNES/PROCESSING : LOA - LSCE - ICARE
Variations saisonnières
Fig.2
42 | LA RECHERCHE | DÉCEMBRE 2007 | Nº 414
*Un noyau
glaçogène est
un aérosol ayant
la propriété
de déclencher
la formation d’un
cristal de glace.
CLIMAT  III

enneigées et glacées. Lesquelles noircissent légèrement
et absorbent plus le rayonnement solaire. D’où une sur-
chauffe supplémentaire et une fonte accélérée qui ampli-
fie à son tour le réchauffement climatique ! Là encore,
il est difficile de quantifier cet effet avec précision. Aux
hautes latitudes, de nombreuses observations attestent
d’un noircissement de la neige. Les analyses récentes de
chercheurs américains sur des carottes de glace préle-
vées au Groenland indiquent effectivement une forte
contamination par la suie pendant la première moitié
du XXe siècle. D’après leurs calculs, elle aurait contribué
à un forçage radiatif local de + 3 W/m2 [4].
Et comme si les effets connus des aérosols ne suffisaient
pas, ces particules sont aussi parfois sources de surpri-
ses. Telle celle des Allemands Dominique Bäumer et
Bernhard Vogel, de l’université de Karlsruhe, qui ont
mis en évidence l’existence d’un cycle hebdomadaire
des températures, de la nébulosité et de l’ensoleille-
ment entre 1991 à 2005 [5]. Ce dernier diminue au fil
de la semaine. Il est au mini-
mum le samedi puis repart à la
hausse le dimanche et le lundi
avant de décroître à nouveau. La
nébulosité suit un cycle inversé
avec un pic le samedi. Quant à
la température, elle est maximale le mercredi et mini-
male le samedi. L’amplitude des variations, de l’ordre
de 0,1 kelvin, est trop élevée pour pouvoir être expli-
quée par un cycle hebdomadaire de la chaleur dégagée
par les activités humaines. Il faut un effet amplifica-
teur : revoilà les aérosols. Il est probablement lié à leur
impact sur le rayonnement et les nuages. Une hypo-
thèse d’autant plus vraisemblable que les épaisseurs
d’aérosols semblent, elles aussi, soumises à un cycle
hebdomadaire comme le suggèrent les mesures réali-
sées durant quatorze ans au-dessus de l’Europe [6].
Beaucoup de questions restent donc ouvertes. En
particulier, et en premier lieu : la réduction des émis-
sions d’aérosols peut-elle aggraver le réchauffement ?
La baisse a débuté dans les années
1980. À l’origine, il s’agissait de
diminuer l’émission de particu-
les soufrées afin de lutter contre
les pluies acides. Aujourd’hui, on
souhaite leur réduction en raison
de leurs effets sur la santé. Les par-
ticules les plus petites (celles dont
la taille est inférieure à 2,5 micro-
mètres, voire à 1 micromètre) sem-
blent les plus dangereuses. Or, ce
sont elles qui diffusent le plus le
rayonnement solaire et qui font
les meilleurs noyaux de condensa-
tion… L’amélioration progressive
de la qualité de l’air atténue ainsi
l’effet filtrant des aérosols. Elle a même renversé la
tendance à l’assombrissement de l’atmosphère obser-
vée de 1960 à 1990 [7].
Cette tendance devrait se poursuivre : ainsi, le
réchauffement climatique risque fort de s’accélérer
au-dessus des régions industrialisées. De plus, les
pays en développement devraient suivre le même
chemin : le rôle des aérosols dans le changement cli-
matique sera donc moindre au XXIe siècle qu’il ne
l’a été durant le XXe siècle [8].
Manipuler le climat
À moins de… en injecter plus haut ? Dans la strato-
sphère, là où ils restent plus longtemps, comme l’a
suggéré le Prix Nobel de chimie Paul Crutzen pour
juguler le réchauffement climatique [9]. Une couche
d’aérosols stratosphériques masquerait en effet une
partie du rayonnement solaire incident. Elle agirait
alors comme un thermostat, qui serait contrôlé par
l’envoi plus ou moins massif
de dioxyde de soufre.
Mais les effets secondaires
d’une telle manipulation sur le
climat sont largement mécon-
nus. Comment réagirait la cir-
culation atmosphérique ? Et la couverture nuageuse ?
Les écosystèmes s’adapteraient-ils à une diminution
du rayonnement solaire direct et à une augmenta-
tion du rayonnement solaire diffus ? Et puis une telle
proposition soulève d’épineux problèmes éthiques.
Peut-on manipuler le climat pour gagner un peu de
temps avant de réduire nos émissions de gaz à effet de
serre ? Comme ces gaz continueraient de s’accumu-
ler dans l’atmosphère, il faudrait réduire encore plus
radicalement les émissions. Sans quoi nous serions
contraints de perpétuer cette manipulation des siè-
cles durant. Voilà un cadeau aux générations futures
au moins aussi empoisonné que les rejets actuels de
gaz à effet de serre ! O. B.
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[4] J.R. McConnell et al.,
Science, 317, 1381, 2007.
[5] D. Bäumer et B. Vogel,
Geophys. Res. Lett., 34,
L03819, 2007.
[6] D. Bäumer et al.,
Atmospheric Chemistry
and Physics Discussions, 7,
11545, 2007.
[7] M. Wild et al., Science,
308, 847, 2005.
[8] J.-L. Dufresne et al.,
Geophys. Res. Lett., 32,
L21703, 2005.
[9] « Paul Crutzen :
“Et si l’on manipulait le
climat ?” », La Recherche,
juillet-août 2006, p. 82.
LES VILLES CHINOISES (ici, Harbin) sont parmi les plus polluées au monde. Mais, à
l’instar des cités occidentales, l’amélioration de la qualité de l’air devrait réduire
progressivement ces voiles sombres. Ce qui risque d’accélérer le réchauffement.
Le rôle des aérosols dans
le changement climatique
sera moindre au XXIe siècle
CLIMAT  III
© LANDOV/MAXPPP