Aviation and climate change in Europe : from regional climate modelling to policy-options

(eng) Condensation trails (contrails) are one of the most visible anthropogenic effects on the climate system. They are formed by high-flying airliners and can evolve into contrail cirrus under specific conditions. The present thesis is focusing on these anthropogenic clouds and we propose a completion of the contrail formation theory. For this purpose a thermodynamic engine model has been developed to validate this theory in the case of 109 real engines. Also an analysis is performed showing the validity of the approximations used for modern day engines, but revealing that the theory might need to be adapted for future engines with very high efficiencies and lower cruising speeds. In order to analyze the impact of contrail-cirrus in Europe a parameterization to be used in regional climate models has been developed. Regional models feature a more detailed cloud microphysics and a higher resolution than global models and are deemed thus more appropriate for this study. This parameterization has been applied to the Climate version of the Lokal Modell (CLM). An increase in high-level cloudiness of 2.8 % over the whole of Europe for the period 2000-2009 was simulated, with a maximum of over 6 % in Central Europe where air-traffic is highest. In this region the total additional cirrus cloud coverage from spreading contrails is simulated to be six times higher than the coverage of linear contrails. Limiting the production of these artificial clouds should be addressed by a climate policy. The Kyoto mechanisms use carbon dioxide as common measure for different gases. In this framework the present thesis shows that the total effect of aviation is 1.8 (very likely 1.0-2.9) times higher than the effect of CO2 emissions by the sector. This figure is however shown to be strongly dependent on the chosen way of comparison. An idea on how to include the mitigation of contrail-cirrus in a climate-policy, takinginto account the associated scientific uncertainty rounds off the dissertation.

(fre) Les traînées de condensation constituent une des influences anthropiques la plus visible sur le système climatique. Elles sont formées par des avions volant à hautes altitudes et peuvent évoluer en nuages cirrus sous des conditions spécifiques. Dans la présente thèse nous nous focalisons sur ces nuages d’origine anthropique et nous complétons la théorie de formation des traînées. Dans ce but un modèle thermodynamique d’un moteur a été développé et utilisé pour valider la théorie dans le cas de 109 applications réelles. Une autre analyse a été réalisée pour montrer que les approximations utilisées sont justifiées pour les réacteurs modernes, mais que la théorie devrait être adaptée dans le cas de réacteurs futurs, caractérisés par des efficacités très grandes et des vitesses de croisière réduites. Pour analyser l’impact des nuages cirrus engendrés par les traînées de condensation au-dessus de l’Europe, une paramétrisation a été développée pour un modèle climatique régional. Ce type de modèle présente une microphysique des nuages plus détaillée et une résolution plus haute que dans les modèles globaux ce qui est approprié pour cette étude. Cette paramétrisation a été appliquée au modèle Climate version of the Lokal Modell (CLM). Une augmentation de la nébulosité haute de 2.8% en moyenne sur toute l’Europe pendant la période 2000-2009 a été simulée avec un maximum de 6% au-dessus de l’Europe centrale où le trafic aérien est le plus dense. Dans cette région la couverture additionnelle des traînées de condensation persistantes simulée est six fois plus importante que la couverture due aux traînées seules. Limiter la production de ces nuages artificiels devrait être adressé dans le cadre d’une politique climatique. Le protocole de Kyoto utilise le dioxyde de carbone comme mesure commune pour les différents gaz. Dans ce contexte cette thèse montre que l’effet total de l’aviation est 1.8 fois (valeur très probablement située entre 1.0 et 2.9) plus important que l’effet des seules émissions de CO2 par le secteur. Il a été montré que ces chiffres sont très sensibles à la façon de comparer les différents gaz. Une idée pour inclure les effets des cirrus engendrés par les traînées de condensation dans une politique climatique prenant en compte les incertitudes scientifiques conclut le texte.