Traînée de condensation

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Traînées de condensation derrière un avion quadriréacteur Boeing 747.
Condensation d'altitude en sortie de réacteurs.

Les traînées de condensation sont créées par la condensation de la vapeur d'eau émise par les moteurs d’avion à très haute altitude[1]. Elles se produisent généralement à 10 000 m d'altitude avec un taux d'humidité de plus de 68 %, une température à partir de −39 °C et sur des noyaux de congélations fournis en grande partie par les gaz de combustion[2]. Ce phénomène physique qui dépend de phénomènes atmosphériques complexes[3] a été étudié dès les années 1950[4].

Elles s'estompent en général rapidement par sublimation mais peuvent se transformer[5], dans certaines conditions d’hygrométrie et de température, en nuages artificiels analogues à des cirrus allongés[6]. Sont aussi employées les expressions traînées de vapeur, traînées blanches ou encore contrail (pour condensation trail). Ces nuages artificiels peuvent alors couvrir de vastes surfaces de ciel, notamment dans l'hémisphère nord[7]. Ils peuvent persister durant plusieurs heures à dizaines d'heures[8],[9].

La formation des traînées change l'albédo de l'atmosphère et l’augmentation du trafic aérien mondial produit ainsi un effet sur les échanges énergétiques de l'atmosphère, d'autant plus que le transport aérien tend à augmenter[10],[11],[12]. Ces trainées par leurs impacts en termes d'effet de serre[13],[14],[15] doubleraient la responsabilité du trafic aérien en termes de contribution au réchauffement[16], augmentant ainsi une part qu'on estimait autrefois faible par rapport à d'autres modes de transport[17].

La présence de traînées de condensation est habituellement précisée par le sigle COTRA, contraction de l'expression anglaise COndensation TRails Aloft, dans un rapport météorologique METAR[1].

Nature physico-chimique des trainées

Photo satellitale prise au-dessus de la Géorgie (MODIS, NASA, le 13 octobre 2004), montrant des chapelets de centaines de traînées de condensation transformées en cirrostratus artificiels[18].

Vues d'un satellite météorologique, ces traînées sont détectables dans le spectre visible de jour, mais on peut les suivre encore mieux en tout temps dans les trois longueurs d'ondes de 8,5, 11,0 et 12,0 micromètres de l’infra-rouge. Ceci indique qu'elles contiennent de l'eau liquide et/ou des cristaux de glace[19] et qu'elles impactent le bilan radiatif de l'atmosphère terrestre[20]. Ces trainées contiennent aussi des aérosols de particules émises par les réacteurs[21], dont du noir de carbone[22] et des sulfates[23], mais leur cinétique, et leurs modifications physico-chimiques sous l'effet de la température, des UV solaire et du rayonnement cosmique, de l'ozone et des gaz est encore incomplètement comprise[24]. Des phénomènes discrets sont néanmoins mieux observés, grâce au lidar notamment[25],[26].

L'imagerie satellitaire a permis de mieux comprendre leur dynamique dans la haute atmosphère et certaines interactions avec les facteurs climatiques[27]. De nouveaux outils permettent de mieux comprendre la chimie et la physique des cirrus, mais aussi des traînées de condensation ainsi que leur processus de production et de disparition. Ces outils pourraient même à terme assurer un suivi permanent de leur production, évolution et impacts géoclimatiques[20].

C'est le cas du Lidar et en particulier du (LIDAR multi-longueur d’onde (JFJ - LIDAR)). Cet appareil émet un faisceau laser à trois longueurs d'onde (355, 532 et 1 064 nm) puis détecte les radiations rétro–diffusées : élastiques (Mie, 355, 532 et 1 064 nm) ou inélastiques (Raman, 387, 407, 607, et 532 rotationnel)[20]. Il permet de travailler en temps quasi-réel, et à distance. Il analyse des profils thermohygrométrique (de température et de la teneur en eau), tout au long de la colonne d'air. Il détermine aussi des profils de propriétés optiques qui - via l'analyse des coefficients de rétro-diffusion et d’extinction - renseignent sur le contenu particulaire des aérosols présents.

L'étude de la dépolarisation de la lumière du laser rétrodiffusée (à 532 nm) renseigne sur le degré de présence d'eau et de glace, et éventuellement de particules minérales, dans les nuages[20]. Ce type d'outil devrait donc aussi permettre de comprendre les éventuelles interactions entre traînées de condensation et particules minérales aérotransportées à échelle planétaire comme les poussières sahariennes (déjà étudié dans une thèse rendue en 2004)[20] ou particules de nuage de cendres volcaniques, issues d'un accident, etc.

Mécanisme de formation

Les deux façons de former les traînées. En haut, celles prenant naissance au bout les ailes et en bas, celles provenant des réacteurs.
Exemple de condensation sur l'aile et de « trainée » se condensant en bout d'aile.
Cette forteresse volante B-17 (Seconde Guerre mondiale) génère deux types de trainées, l'une discrète, en bout d'aile droite, l'autre en sortie de moteur, avec une forme hélicoïdale.

Ces traînées ne se forment qu'à certaines conditions, qui ne se rencontrent pratiquement que dans la haute troposphère et un peu plus souvent en hiver[1] :

  • où l'air est à environ −40 °C
  • où l'air est assez humide pour atteindre la saturation et former des cristaux de glace, spontanément ou si un élément supplémentaire déclenche le processus[1].
  • où l'air contient des noyaux de congélation, capables de nucléer la vapeur d'eau qui forme alors des gouttelettes surfondues de condensation. Ces dernières peuvent persister jusqu'à −40 °C avant de se congeler sans l’intervention d’une particule d'aérosol servant de noyau glacigène. Bien que l'atmosphère contiennent de tels noyaux, ils sont en faibles concentration à haute altitude. Ce sont donc surtout les gaz éjectés par les moteurs et les particules qu'ils contiennent qui fournissent de tels éléments précipitant la formation des cristaux et l'apparition de la traînée[1].

Les principes de formation des traînées de condensation sont donc similaires à ceux des nuages et sont expliqués en détail par la physique des nuages.

Types

Il existe trois sources pouvant induire la formation de traînées visibles sur un avion[28],[29],[30] : le moteur à hélice, la turbine de moteur à réaction et (plus discrètement) certains éléments de portance.

Traînées d'ailes (ou de détente)

Quelques éléments de portance (ailerons ou extrémité d'aile) produisent un vortex tubulaire associé à une dépression sur le dessus de l’aile (ce qui permet à l'avion de voler). La chute de pression est la plus brusque en bout d'aile où elle entraîne une chute instantanée de température (comme le fait la décompression du fluide compressé par le moteur d'un réfrigérateur, mais d'une manière bien plus brutale). Si l'avion vole dans une zone où l'humidité relative de l'air approche les 100 %, la baisse de température peut faire passer l’air au-delà de la saturation au bout des ailes[28],[29],[30]. Elles sont connues comme traînées de détente[31].

Le tourbillon qu'on y retrouve concentre et piège cet air sursaturé en une sorte de tube qui rend brièvement visible cette condensation car les gouttelettes d'eau ont eu le temps d'y geler. Ces traînées sont rares et brèves car les cristaux de glaces sont rapidement sublimés en vapeur d'eau et l’humidité relative retombe sous 100 %. En effet, au contraire de ce qui se passe en sortie de réacteur ou de moteur, le taux de noyaux de congélation est très faible en bout d'aile car il ne dépend que de ceux de la masse d'air[28],[29],[30].

Traînées de moteur à hélice (ou d'échappement et de détente)

En sortie de moteur à hélice, les gaz chauds et très humides, sont soumis à des phénomènes d'expansion/décompression quand ils sont pris dans le vortex de l'hélice et propulsés en arrière de l'avion. Si l'air est très humide et assez froid, ces gaz génèrent une traînée blanche, qui peut même prendre un aspect hélicoïdal. Cette trainée de condensation apparait quand la quantité d'humidité que peut contenir l'air est inférieure à celle ajoutée par les gaz d'échappement. Dès que l'air est en phase saturée, la vapeur se condense en micro-gouttelettes et éventuellement en cristaux de glace qui deviennent visibles[28],[29],[30]. Selon les conditions de température et l'heure (jour nuit), ces traînées se dissipent en quelques dizaines de secondes, minutes ou dizaine de minutes ou contribuent à former ou alimenter des nuages. De tels phénomène étaient observés lors de certains combats aériens lors de la Seconde Guerre mondiale.

Traînées de moteur à réaction (ou d'échappement)

En sortie de réacteur, les gaz d’échappement sont très chauds, très humides, riches en micro et nanoparticules, et subissent une brutale expansion/décompression qui les refroidit brutalement[28],[29],[30]. Chaque litre de carburant consommé produit environ un litre d'eau, qui va rapidement s'étendre en panache de vapeur, brutalement mise en contact avec l'air froid d'altitude.

Comme la quantité d'humidité que peut contenir l'air à ces altitudes est bien inférieure en général à celle venant du réacteur, l'air passe en phase saturée et la vapeur se condense alors en gouttelettes puis en cristaux de glace. Selon les conditions de température et l'heure (jour nuit), ces traînées peuvent se dissiper après seulement quelques dizaines de secondes ou minutes ou perdurer jusqu’à plusieurs heures puis former des cirrus qui persisteront éventuellement des dizaines d'heures. Elles sont connues également sous le nom de traînées d'échappement à cause de leur mode de formation[32].

Autres facteurs

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Comme pour la formation des cirrus « normaux », d'autres facteurs (encore mal étudiés), pourraient aussi contribuer à la formation de traînées de condensation ou interagir avec elles :

  • Les rayonnements solaires ou cosmiques : aux altitudes où se forment les cirrus, deux types de rayonnements peuvent interférer avec la formation des nuages ; les rayons reçus du soleil, et le rayonnement cosmique, assez énergétique pour être très ionisants, mais généralement en grande partie détourné de la terre, par la magnétosphère et le vent solaire. À haute altitude, ces deux types de rayonnement (envoyés par le soleil ou le fonds cosmique) sont moins filtré par l'atsmosphère (plus ténue) et par la couche d'ozone (pour les UV). Le flux de rayonnement reçu par la vapeur d'eau est à cette altitude bien plus important qu'au sol (notamment dans l'ultraviolet et l'infrarouge solaire direct).
    Une partie de ce rayonnement peut ioniser l'air (ce sont aussi elles qui créent les aurores boréales), voire craquer des molécules d'eau, le dioxygène, le méthane, etc. Charles Thomson Rees Wilson, en étudiant la formation des nuages, a montré au siècle dernier dans la première chambre à brouillard, que ce type de rayonnement pouvait catalyser la condensation d'un gaz saturé en vapeur en microgouttelettes. Dans le cas des cirrus, une partie des gouttelettes gèle instantanément en cristaux de glace, pouvant à leur tour devenir des noyaux de nucléation de gouttelettes plus grosses finissant par former des cristaux plus gros et visibles.
    Comme le montrent une simple observation du ciel, mais aussi les images satellitales et les travaux de l'université de Leeds, sous les corridors aériens ou sous leur vent (d'altitude), certains jours, plus de 80 %, voire 100 % de la nébulosité du ciel est artificielle, dérivant de l'étalement des cirrus initiés par les trainées de condensation ou réalimentés par ces derniers.
  • Les aérosols particulaires minéraux d'altitude : les aérosols volcaniques fins (PM) issus des grandes éruptions volcaniques pourraient également interagir avec les cirrus et on suppose avec les traînées. De même pour certaines particules soulevées par les tempêtes (certaines tempêtes de sable exceptionnelles par exemple).

Évolution des traînées

Selon l'altitude, la température de l'air, les vents les trainées disparaissent ou évoluent différemment (ici, le contraste de la photo a été augmenté dans le rectangle pour rendre le phénomène plus visible).

Les traînées de condensation produites par les réacteurs sont beaucoup plus durables et communes que celle produites par les vortex au bout des ailes, car elles sont induites par une addition significative d’humidité absolue. Selon les conditions de pression, température, vent, etc., cette traînée pourra[1],[28],[30] :

  • Évoluer progressivement en nuage d’altitude plus ou moins épais, large et durable. Ce type de nuages dérive selon les vents d’altitudes et conserve souvent durant plusieurs heures la forme et la direction de la traînée. Ces cirrus artificiels persistants peuvent même s’installer pendant des jours ou des semaines ;
  • Conserver une forme rectiligne ou se casser ou même prendre une forme de zigzag avant de disparaître ;
  • Se dissoudre rapidement par évaporation/sublimation et/ou dispersion, en devenant invisible à nos yeux. Parfois seule une partie de la traînée ne se forme pas ou disparaît précocement, en raison d’un courant aérien qui la disperse localement ou de l’ombre portée d’un nuage situé entre le soleil et ce point (un tel phénomène est visible en haut à gauche de la photo ci-contre).

Formation d'autres traînées (invisibles) dans la troposphère

Un phénomène rappelant celui des traînées d’avion existe - pour d’autres raisons - à une altitude beaucoup plus basse, dans la troposphère.

  • Indétectable dans le spectre visible, il est clairement perceptible dans l’infrarouge par les satellites[réf. nécessaire].
  • Ces traînées sont produites par la formation d'aérosols de micro-gouttelettes, qui – à cette altitude – ne gèlent pas, à partir des émissions de cheminées de navires. On les attribue essentiellement à l'effet de nucléation de l'eau-vapeur induite par le soufre relargué par le fioul lourd brûlé par les chaudières de navires. Ce soufre joue le rôle d'un catalyseur en constituant un noyau facilitant la nucléation de micro-gouttelettes d’eau.
  • Il est possible (à confirmer) que la réverbération du soleil et en particulier d'une partie des UV sur l’eau ait une importance dans le phénomène en augmentant l’énergie disponible (que nous percevons par exemple sous la forme des coups de soleil) on constate par exemple que les pics d'ozone sont souvent beaucoup plus important au-dessus de la mer ou en bordure de mer.
  • Le fait que ces « traînées » soient nettement visibles dans l'infrarouge signifie qu’une partie du rayonnement calorique solaire est renvoyé en direction de l’espace. Localement, le phénomène contribue donc, comme les « contrails » d’altitude, à légèrement refroidir l’air ambiant, mais bien moindrement sans doute que dans le cas des avions. Mais il faut aussi tenir compte que chacun de ces panaches est aussi le témoin d'une émission importante de gaz à effet de serre (NOx[35], CO, HC, CO2).

Traînées d’avion et influences climatiques

Les traînées de condensation peuvent influencer le climat en perturbant deux constituants-clé de l'atmosphère : l'ozone (gaz à effet de serre dont « le potentiel de forçage radiatif de ses perturbations dans la haute troposphère est aussi fort que celui du gaz carbonique »[36] et la vapeur d’eau (autre gaz à effet de serre)[36]. Ces deux gaz jouent à cette altitude un rôle majeur. Si l'ozone troposphérique commence à être bien suivi, on connait encore très mal (via des outils récents tels que Mopitt (pour le CO), Advanced Composition Explorer et Iasi pour l’O3 et le COx) les flux et échanges verticaux d'ozone entre les hautes et basses couches (c'est-à-dire entre troposphère et stratosphère).

Traînées de condensation au-dessus de la Nouvelle-Écosse, vues de satellite.

En termes de forçage radiatif, les avions ont deux grands impacts connus sur le climat régional et planétaire[37], pour partie contradictoires[38],[39] :

  • En émettant du CO2 et de la vapeur d'eau (deux gaz à effet de serre), ils contribuent à moyen et long terme au réchauffement global[36] ;
  • Par l'émission d'aérosols et la formation de traînées de condensation qui se transforment en larges cirrus augmentant l'albédo de l'atmosphère, ils contribuent à court terme (surtout dans l'hémisphère nord, et notamment en Europe[40] où les vols sont très nombreux) à un refroidissement le jour et à un réchauffement la nuit, mais en termes de bilan global, l'effet réchauffant serait nettement dominant sur l'effet « rafraichissant[16] ».

Divers travaux de recherche visent à mieux quantifier la part respective de ces deux phénomènes, notamment en Europe de l'Ouest, où les images satellitaires montre qu'elle est l'une des zones les plus touchées au monde[39]. À court terme, les premiers et plus importants impacts de l'aviation pourraient provenir des traînées de condensation et de l'induction des cirrus qu'elles provoquent[41].

La condensation artificielle induite par les avions pourrait aussi perturber l’équilibre photochimique atmosphérique encore mal compris à cette altitude mais qui est a priori fortement couplé au climat global[36]. Enfin, l'eau et l'ozone sont aussi deux précurseurs des radicaux hydroxyles qui affectent la chimie de la troposphère, et le cycle de plusieurs autres gaz trace naturels et anthropiques[36].

Dans l'hémisphère sud, les avions sont bien moins nombreux, mais la calotte glaciaire est plus vaste qu'au nord et climatiquement plus isolée, ce qui rend la zone beaucoup plus froide. Les données satellitaires de la NASA utilisées pour la recherche sur la haute atmosphère, ont montré [réf. nécessaire] que les nuages stratosphériques de l'Antarctique avaient une durée de vie deux fois plus longue que ceux situés au-dessus de l'Arctique où les couches d'air sont plus mélangées et moins froides. En refroidissant les couches de l'atmosphère où l'ultra-violet produit la couche d'ozone, les traînées d'avion peuvent exacerber les réactions chimiques de destruction de l'ozone[24].

Dans l'hémisphère nord, durant l'hiver, l'aviation contribuerait à augmenter le « mauvais » ozone troposphérique d'environ 3 %, avec peu d'effet sur l'ozone stratosphérique[24]. Une modélisation prospective a estimé que pour 500 de transports supersoniques commerciaux de 2015 (à une altitude de vol 18–21 km, une vitesse de croisière de Mach 2,4 avec un indice d'émission de 15 g de NO2 par kilogramme de kérozène brûlé), l'ozone diminuerait de 3 % dans la basse stratosphère polaire conduisant à une diminution de près de 1,5 % de l'ozone dans la colonne atmosphérique[24].

Impact diurne/nocturne

Traînées au soleil levant et évolution
(Lille, 8 octobre 2006).

Il existe un facteur jour/nuit déterminant. En effet, la vapeur d’eau est un puissant gaz à effet de serre (dont le coefficient est plus élevé que celui du CO2[42]), mais cette vapeur d'eau a un impact tout à fait différent en matière de réchauffement selon sa forme :

  • forme condensée dans l'air, notamment sous forme de nuages, reflétant le rayonnement solaire ;
  • vapeur d'eau, invisible à nos yeux, mais faisant barrage à une partie des infrarouges.
Vols de jour

Les traînées de condensation des avions volant sous le soleil blanchissent et/ou réfléchissent une partie de l’énergie solaire thermique en la renvoyant vers l’espace avant qu'elle n'ait eu le temps de réchauffer le sol ou les masses d'air. Ce phénomène tend à refroidir la basse atmosphère. L'albédo est ici le phénomène déterminant[43].

Les vols de nuit

La vapeur d'eau et les nuages causés par ces traînées s’opposent au refroidissement en réfléchissant les infrarouges émis par le sol vers ce dernier. Ceci diminue le refroidissement nocturne d'un ciel autrement dégagé et accroît donc le réchauffement en piégeant la chaleur rayonnée par le sol dans les basses couches de l’atmosphère, comme une couverture garde la chaleur du dormeur[43].

Fréquence et aspects saisonnier

Saisonnalité des observations de contrails, au-dessus de Langley aux USA, en 1994-1995. Les traînées sont plus fréquemment observés du sol en fin d'hiver et début de printemps.

Le phénomène est observable par tout le monde, bien que les couches nuageuses basses cachent une partie des traînées de condensation. Comme le montre un observatoire photographique néerlandais des traînées dans les années 2007 à 2010, les traînées sont devenus omniprésents dans l'hémisphère nord, observables presque tous les jours, dans tout ou partie du ciel au-dessus de l'Europe[44].

Le transport aérien est celui qui connaît la plus forte croissance mondiale, devant l’automobile. S'il n'émettait à la fin des années 1990 que 3 % environ des gaz à effet de serre[réf. nécessaire], les données scientifiques disponibles montrent que son effet en termes de bilan radiatif est proportionnellement plus important. En effet, c'est en moyenne, l'effet des grandes longueurs d'onde qui domine le bilan de forçage radiatif des traînées d'avion, qui fait que l'effet réchauffant l'emporte sur l'effet refroidissant[43].

Dans les années 1990, la NASA et l'US Air Force notaient déjà une fréquence plus élevés des traînées en fin d'hiver et début de printemps selon le graphique ci-contre[45]. Cinq ans plus tard (au début des années 2000), Nicolas Stuber montrait que les vols de nuit (6 h du soir - 6 h du matin) effectués en Grande-Bretagne en saison froide (durant les seuls trois mois de décembre, janvier et février) contribuent pour environ 50 % au réchauffement alors qu'ils comptent pour moins d’un quart (22 %) du trafic annuel[43].

Recherche

Ces condensats contiennent du CO2, du CO, des oxydes d'azote, de faibles quantités résidus de kérosène et de métaux (additifs des carburants, usure des tuyères…). Ils naissent dans une atmosphère très froide mais soumise à un flux intense de photons plus énergétique que dans les basses couches de l'air protégées par l'ozone. La photochimie de ces couches est mal comprise, de même que les phénomènes de catalyse ou photocatalyse qui pourraient être impliqués.

On n'a pris conscience de l'ampleur physique de ces impacts que dans les années 1990 ; après que des scientifiques de la NASA en 1998 eurent par exemple montré que des traînées de condensation produites sur la côte pacifique des États-Unis pouvaient s'étaler et fusionner pour produire un cirrus couvrant 3 600 km2. Des photographies satellite ont ensuite dévoilé des traînées de condensation produites par l'aviation commerciale au-dessus de la Nouvelle-Angleterre (formant un nuage qui a atteint 34 000 km2).

En 1993, un programme cofinancé par la Commission européenne, dit « Mozaic » (1993-2008) associant cinq avions long-courrier en service commercial, a commencé à mesurer les taux d'ozone, de vapeur d'eau, de monoxyde de carbone et d'oxydes d'azote, pour produire un début de base de donnée utile pour évaluer les processus photo-phyco-chimiques atmosphériques en jeux à échelle de l'atmosphère planétaire et pour le climat et la qualité de l'air de la couche HTBS (interface Haute troposphère-basse stratosphère), mal observée par les réseaux de sondage classiques et par les moyens satellitaires[36] ; En 1993 on a commencé à mesurer l'ozone (O3) et l'humidité relative (H2O) puis en 2001, le monoxyde de carbone (CO). Un des cinq avions a été équipé d'un analyseur d'oxydes d'azote (NOx). En 2004, le suivi est poursuivi par l'Institut national des sciences de l'univers - CNRS (Insu-CNRS), l'Observatoire Midi-Pyrénées, Météo-France et le FZJ (Forschungszentrum Jülich) allemand. En 2008, seuls trois des cinq avions Mozaic volaient encore (deux pour la Lufthansa et un pour Air Namibia) (28 000 vols de 1994 à 2008). Un projet complémentaire, « Lagos », « répare les bases d'une infrastructure distribuée pour l'observation globale de la composition chimique, des aérosols, des nuages et des traînées de condensation à partir d'avions commerciaux en service »[36].

En 2000, un programme appelé PARTEMIS[46], visant à mieux comprendre l'effet de l'état du réacteur sur l'éjection de particules et d'aérosols et leur devenir et transformations dans l'atmosphère, a été initié pour aider les constructeurs à produire des réacteurs plus efficaces et moins nocifs pour le climat. Le projet inclut le développement de modèles mathématiques des processus physiques et chimiques et des méthodes de prévision des impacts météorologiques.

En 2001, un autre programme européen, CYPRESS (dans le cadre de Cordis)[47], sur la base des prédictions et de l'évolution probable de la conception de turbines de réacteurs (pour une période de 17-20 ans), cherche à modéliser (avec les grands fabricants de turbines) les émissions de polluants que ces moteurs induiront, et notamment les relations entre CO2 et de NOx évoquées par le rapport du GIEC[48] .

De son côté, le ministère britannique des transports a financé l'Université de Reading[49] avec la Direction de la météorologie, puis avec l'Université de Leeds. Il s'agissait notamment de mieux comprendre, grâce à des ballons sondes équipés de capteurs météorologiques, la température, la chimie et la météorologie de la haute atmosphère, pour mieux prédire les phénomènes de production de traînées persistantes, avec une étude plus détaillée au-dessus du Sud-Est de l'Angleterre. À partir de ces données, les universitaires tentent d'estimer plus précisément l'impact global de l'aviation en termes de forçage radiatif. Pour cela, ils ont utilisé des données collectées directement lors de vols aériens. Mais ils ont aussi dû mettre à jour les bases de données d'émissions (c'est l'objet du Projet AERO2K (Global aircraft emissions data project for climate impacts evaluation)[50] qui est parti du fait qu'au début des années 2000, les bases de données mondiales d'émissions n'étaient renseignées qu'avec environ dix ans de retard et ne pouvaient répondre aux besoins des scientifiques et des décideurs[50].

Ces travaux ont notamment montré qu'au-dessus du Sud-Est de l'Angleterre, plus d'un quart des vols de nuit, bien que visuellement plus discrets que ceux qui contribuent à plus de 60 % du forçage radiatif des traînées qui blanchissent le ciel le matin et la journée suivante. Le trafic aérien hivernal (25 % des vols ont lieu entre décembre et février, alors que les hautes couches sont froides et la convection de mi-altitude faible[24]) représente à lui seul la moitié du forçage. Une des premières conclusions de ces travaux, publiés dans le journal Nature[43], est qu'une révision des heures de vol (à concentrer sur la journée) pourrait aider à minimiser l'impact climatique de l'aviation[41].

Le programme AERO2K a pour objet de produire une base de donnée à jour pour aider les décideurs à mieux évaluer l'impact climatique des avions, en produisant un inventaire mondial 4D de la consommation de kérosène et des émissions induites de polluants gazeux (NOx, CO, HC, CO2) et particulaires pertinents pour évaluer l'impact des avions sur la haute atmosphère. Ces paramètres devaient être issus du trafic civil, mais aussi militaire avec pour la partie SIG une résolution spatiale de 1° latitude/longitude pour 0,5 km de colonne d'atmosphère. La résolution temporelle la plus fine serait l'heure.

Le projet incluait une prospective à 25 ans, basée sur les dernières techniques de prévision utilisées par l'industrie (Airbus notamment, par les gouvernements et pour la gestion du trafic aérien). Une originalité du projet était d'associer des experts en sciences et technologies, à des décideurs politiques, et à des représentants de l'industrie aéronautique[50]. Ce programme a été complété par le programme NEPAIR qui cherche à établir un indicateur synthétique des impacts de l'aviation[51].

Le Groupe d'experts intergouvernemental sur l'évolution du climat (GIEC) a de son côté consacré un rapport scientifique complet au phénomène des nuages artificiels produits par les traînées d’avion (1999, en anglais[48]). Ce phénomène est clairement à considérer comme faisant partie des sources de modifications anthropiques du climat, mais avec un double aspect qui rend sa quantification complexe.

Un des moyens pour éliminer cet effet serait d’abaisser l’altitude des vols ce qui entraînerait moins de formation de traînées car l'air peut contenir plus d'humidité à plus basse altitude et la dispersion par les vents y serait plus rapidement. Cependant, cela impliquerait une diminution de la capacité de l’espace aérien et l’augmentation des émissions de CO2 causée par une activité aérienne moins efficiente[52],[53]. une amélioration de l'efficience des motorisations permettrait aussi de légèrement diminuer cette contribution au réchauffement[54].

En 2012 en France, à la demande de l'Office national d'études et de recherches aérospatiales (ONERA), le laboratoire de physique et de métrologie des aérosols de l'IRSN contribuera au projet Mermose (Mesure de la réactivité des émissions de moteurs aéronautiques) financé dans le cadre du Grand emprunt. Ce projet a pour but de mieux comprendre la contribution du transport aérien au changement climatique par les interactions entre eau et croissance de la glace à la surface des particules émises par les avions[55]. Ce laboratoire a participé antérieurement à la métrologie des particules carbonées émises en cas d’incendies dans une installation nucléaire et développera ainsi sa compétence en matière de condensation de vapeur sur des particules de suies en cas d'accident nucléaire[55].

Tendances et prospective

Ce phénomène de traînées célestes est en très forte augmentation depuis 20 ans. Dans les années 1990, il a été jugé préoccupant[48] notamment parce que la contribution de l'aviation civile à l'effet de serre était et est encore en forte augmentation (elle serait passée de 3 % environ à 5 % d'augmentation par an en quelques années). Les liaisons aériennes internationales n'ont pas été prises en compte par le traité de Kyoto[56].

La première série de scénario de forçage radiatif à vocation d'état des lieux et prospective ayant cherché à intégrer les effets climatiques des traînées de condensation a été conduit par la NASA et le GIEC[57]. Selon ce travail, en 1992, l'apport global de l'aviation était de 0,05 W/m2, soit 3,5 % du total forçage radiatif anthropique (+1,4 W/m2 mesurée par rapport à l'atmosphère pré-industrielle, pour les gaz à effet de serre et des aérosols combinés, et de +2,7 W/m2 pour les gaz à effet de serre seul).

Pour les avions la part estimée du CO2 était la plus importante (+0,018 W/m2, suivie des NOx (+0,023 W/m2, via ses impacts sur l'ozone) et par le méthane (+0,014 W/m2, par l'intermédiaire des changements indirects de taux méthane). La NASA avait estimé que le bilan du forçage causé par les traînées d'avion était d'environ +0,02 W/m2 alors que la vapeur d'eau stratosphérique, en tant que gaz à effet de serre, ne comptait que pour dix fois moins (0,002 W/m2), devant les aérosols sulfatés (effet direct), les aérosols carbonés (+0,003 W/m2) et les suies (+0,003 W/m2). La NASA a également estimé que les cirrus créés ou secondairement étendus par l'étalement des traînées de condensation pouvaient également contribuer au forçage radiatif (de 0 à 0,04 W/m2 selon le facteur d'incertitude retenu).

En 2011, Ulrike Burkhardtet et Bernd Kärcher de l’Institut de physique de l'atmosphère de Wessling (Allemagne) ont publié une première quantification de l'effet des trainées d'avion sur le bilan radiatif de la terre (via un modèle climatologique local et global intégrant ces condensations artificielles de nuages)[16]. Selon leur calcul, ces trainés qui pouvaient dans les années 2000-2010 atteindre 10 % du ciel au-dessus de l'Europe centrale réchaufferaient la planète d'environ 30 milliwatts par mètre carré, soit l'équivalent d'un doublement de la contribution des avions au réchauffement par leurs seules émissions de CO2[58],[16] (sachant qu'en 2010, les émissions provenant de l'aviation représentaient environ 3 % du total annuel des émissions de CO2 provenant des carburants fossiles)[16]. Le forçage radiatif associé aux cirrus de traînée est globalement environ neuf fois plus important que celui des traînées ne formant qu'une ligne sans se transformer en cirrus. Les trainées devenant des cirrus modifient significativement la nébulosité naturelle, qui compense en partie leur effet de réchauffement, néanmoins, le forçage radiatif net dû aux cirrus de traînées demeure le plus important composant de forçage radiatif lié à l'aviation. Burkhardtet et Kärcher concluent que le forçage radiatif global par les cirrus issus de traînées doit être inclus dans les études évaluant l'impact de l'aviation sur le climat et dans les recherches d'options d'atténuation appropriées. Certains espèrent qu'un moteur condensant une partie de la vapeur d'eau avant qu'elle ne soit envoyée dans l'atmosphère puisse limiter ce phénomène sans générer d'autres problèmes.

Les premiers grands scenarii prospectifs (2015-2050) datent aussi de cette époque. Selon la NASA, l'impact de la croissance de la flotte subsonique des années 2000 à 2015 — selon les données disponibles à l'époque — pourrait conduire à un forçage de +0,11 W/m2 vers 2015, soit environ 5 % du forçage radiatif anthropique total prévu pour cette période)[59].

Malgré des progrès en matière de connaissance[60], on manque de cadastre mondial des émissions assez précis pour évaluer quantitativement et qualitativement les impacts des traînées émises par les avions, ou celle des avions militaires. Faut-il diminuer les vols de nuits, et les décollages en hiver pour mieux respecter la convention de Rio sur les modifications climatiques ? C'est une question posée dans la revue Nature en 2006[43].

Nuisance supplémentaire

Traînée nocturne ; 14 janvier 2006 par nuit de pleine lune, froide, claire et sans vent, dans la banlieue lilloise (pose de 15 secondes).

Les nuits de pleine lune, des traînées peuvent être clairement visibles. Par nuit noire, de telles traînées sont très rarement visibles, en tous cas pour les longueurs d'ondes perçues pour l'œil humain. Lorsqu'elles le sont, elles peuvent alors gêner l’observation astronomique. Ces phénomènes sont généralement classés comme « nuisances lumineuses » pour l'astronomie, plutôt que comme pollution lumineuse bien qu'il soit associé à une pollution réelle et durable à partir des réacteurs, liée au CO2, à la vapeur d'eau (gaz à effet de serre) et aux particules émises.

Arrêt du trafic aérien

Deux cas se sont présentés depuis l'apparition de l'aviation commerciale :

  • un arrêt de la circulation aérienne à la suite des attentats du 11 septembre 2001 ;
  • un arrêt de quelques jours dans l'hémisphère nord au-dessus de l'Europe à la suite de l'éruption d'un volcan islandais en avril 2010.

Cas du 11 septembre

Article détaillé : Attentats du 11 septembre 2001.

C'est un des moyens de vérifier l'hypothèse que dans les régions à fort trafic aérien (telles que les États-Unis), les traînées de condensation pouvaient avoir un impact visible sur le climat en augmentant l'albédo de la Terre : réduction de l'apport solaire diurne ainsi que des déperditions de chaleur nocturne[61],[62].

Les trois jours d'interdiction de survol des États-Unis à la suite des attentats du 11 septembre 2001 a permis à Davis Travis (université du Wisconsin) de constater une anomalie de température de plus d'un degré Celsius, de l'amplitude thermique d'une journée (écart entre la température la plus haute, le jour, et la plus basse, la nuit)[63]. Les mesures et les modèles ont montré que, sans traînée de condensation, l'amplitude des températures entre le jour et la nuit était d'environ 1 degré[Combien ?] plus élevée que lors de la période précédente. Cet écart est significatif. En effet, même si la température varie fortement d'un jour à l'autre, rendant le recueil de données peu significatif, l'amplitude jour/nuit, pour sa part, est un facteur beaucoup moins variable d'un jour à l'autre.

Éruption du volcan islandais Eyjafjöll

Article détaillé : Répercussions de l'éruption de l'Eyjafjöll en 2010 sur le trafic aérien.

Les répercussions de l'éruption de l'Eyjafjöll en sur le trafic aérien entraînent une disparition des traînées de condensation dans une bonne partie du ciel européen. En Angleterre, en Allemagne et en France on constate n'avoir pas vu un tel ciel bleu exempt de traînées depuis des années[64],[65],[66]. Le 21 avril, un retour à la « normale » est constaté dans le ciel européen.

Traînée de dissipation

Traînée de dissipation le 22 novembre 2012 au-dessus de Hong Kong.
Autre exemple de traînée de dissipation.

Une traînée de dissipation est l'effet inverse d'une trainée de condensation qui se produit quand un avion à réaction passe à travers un nuage mince. La température élevée des gaz d'échappement réchauffe l'air ambiant et réduit ainsi l'humidité relative de l'air à moins de 100 % derrière l'avion. Ceci dissipe les gouttelettes du nuage et crée un sillon limpide nettement défini[67]. Ce phénomène est rapporté dans les rapports météorologiques, comme le METAR ou le PIREP, par l'abréviation anglaise Distrail pour « dissipation trail »[68].

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  • (en) Marquart, S. & Mayer, B. Towards a reliable GCM estimation of contrail radiative forcing. Geophys. Res. Lett. 29, 1179 (2002).
  • (en) Heymsfield, A. et al. Contrail microphysics. Bull. Am. Meteorol. Soc. 91, 465–472 (2010).

Annexes

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Articles connexes

Liens externes

  • (en) Contrail Education - NASA
  • Voir l'article sur ce sujet dans Le climat en questions, la foire aux questions de l'Institut Pierre-Simon Laplace contenant des réponses de spécialistes aux questions les plus courantes sur le climat.


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Composants principaux
Aérodynamique
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