Aérosols sulfatés : Pinatubo, géo-ingénierie SAI et ozone

Pourquoi un événement géologique survenu aux Philippines en juin 1991 reste-t-il, plus de trois décennies plus tard, la référence empirique centrale de tous les modèles de géoingénierie solaire envisagés pour limiter le réchauffement climatique ? La réponse tient à un fait simple : l'éruption du Pinatubo a injecté brutalement dans la stratosphère une masse de soufre suffisante pour produire, à l'échelle planétaire, un refroidissement mesurable et reproductible par les modèles climatiques. Comprendre la nature et le comportement des aérosols sulfatés stratosphériques, c'est comprendre à la fois un mécanisme naturel ancien et le scénario de géoingénierie le plus étudié à ce jour, le Stratospheric Aerosol Injection (SAI).

La fiche pose la définition technique, le mécanisme physico-chimique, le cas Pinatubo, le projet SAI tel qu'il est discuté dans la littérature scientifique, et les risques documentés sur la couche d'ozone. Pas de projection alarmiste, l'objectif est de poser les bases techniques sans les colorer.

Un aérosol sulfaté stratosphérique est une particule liquide ou solide en suspension dans la stratosphère, constituée majoritairement d'acide sulfurique (H2SO4) hydraté, formée à partir de l'oxydation de précurseurs soufrés gazeux (principalement le dioxyde de soufre SO2) injectés dans cette couche atmosphérique située entre 12 et 50 km d'altitude.

Trois éléments structurent le concept. D'abord, la localisation stratosphérique : à la différence des aérosols troposphériques qui sont rincés en quelques jours par les précipitations, la stratosphère ne connaît pas de précipitations, ce qui prolonge considérablement la durée de résidence des particules. Ensuite, la nature chimique : ces particules ne sont pas du soufre élémentaire, elles résultent d'une conversion gazeuse vers une phase condensée acide. Enfin, la taille : le diamètre typique se situe dans la fraction du micromètre, gamme optiquement active qui interagit avec le rayonnement solaire incident.

Pour bien comprendre ce mécanisme, il faut articuler la chimie atmosphérique avec la dynamique du climat, parce que ces aérosols agissent comme un filtre solaire transitoire dont l'effet s'inscrit dans les bilans radiatifs globaux étudiés par les sciences du climat. Le phénomène recoupe les questions de bilan radiatif déjà traitées dans la fiche effet albédo.

L'injection stratosphérique de SO2, qu'elle soit volcanique ou hypothétiquement délibérée, déclenche une chaîne de transformations dont la séquence est désormais bien documentée. Le SO2 gazeux est oxydé par le radical hydroxyle (OH) pour produire de l'acide sulfurique, qui se condense ensuite en gouttelettes microscopiques par nucléation et croissance sur des noyaux préexistants.

Le rythme de cette conversion est connu. Les travaux de l'USGS sur Pinatubo établissent qu'environ 50 % du SO2 injecté est converti en aérosols sulfatés en 21 à 28 jours, le taux moyen étant d'environ 33 jours pour la conversion complète. Cette cinétique a une conséquence pratique : l'effet radiatif maximal n'est pas immédiat, il se déploie progressivement sur quelques mois après l'injection.

Une fois formés, les aérosols sulfatés diffusent une partie du rayonnement solaire incident vers l'espace, ce qui réduit le flux énergétique atteignant la surface. Ils absorbent également une fraction du rayonnement infrarouge terrestre, ce qui réchauffe la stratosphère tout en refroidissant la troposphère et la surface. La double action thermique est importante : un refroidissement de surface coexiste avec un réchauffement stratosphérique, et c'est ce réchauffement qui pose problème pour l'ozone.

La durée de résidence stratosphérique totale est de l'ordre de 22 mois, avec une plage observée de 18 à 26 mois selon une étude publiée en 2025 dans Atmospheric Chemistry and Physics. Le nuage d'aérosols mis en place par Pinatubo est resté détectable au-dessus du fond pré-éruption pendant environ trois ans, selon les mesures USGS.

L'éruption du mont Pinatubo, le 15 juin 1991 sur l'île de Luçon, a injecté dans la stratosphère une masse de SO2 estimée par les mesures TOMS (Total Ozone Mapping Spectrometer) à environ 20 mégatonnes (avec une incertitude de plus ou moins 6 mégatonnes), valeur centrale autour de 17 Mt selon les travaux de Self et collaborateurs publiés par l'USGS. La colonne éruptive a dépassé 35 km d'altitude, le nuage moyen se stabilisant entre 34 et 37 km.

Les effets climatiques mesurés sont les suivants :

• Réduction de l'ensoleillement de surface d'environ 10 % à l'échelle globale, selon la NASA Earth Observatory ;
• Refroidissement de l'hémisphère Nord compris entre −0,5 et −0,6°C, selon l'USGS ;
• Refroidissement global situé entre −0,4°C (USGS) et −0,6°C sur quinze mois (NASA), la valeur dépendant de la méthodologie et de la fenêtre temporelle retenues.

Sur ce point précis du chiffre global, j'hésite à trancher pour un seul nombre, et je trouve sain que la littérature continue d'afficher la fourchette plutôt qu'une valeur unique. Les écarts ne reflètent pas une incertitude scandaleuse, ils traduisent des conventions de mesure différentes (couverture latitudinale, période de référence, traitement du bruit ENSO), et la formulation honnête consiste à dire « entre −0,4 et −0,6°C selon les mesures ».

Pour comparaison historique, l'éruption du Tambora en 1815 avait produit un refroidissement de l'année 1816 estimé à environ 0,53°C, avec des conséquences agricoles documentées en Europe et en Amérique du Nord (« l'année sans été »). L'ordre de grandeur des deux événements est comparable, ce qui souligne la robustesse du mécanisme par-delà la singularité de chaque éruption.

Le Stratospheric Aerosol Injection désigne la proposition de reproduire artificiellement, par dispersion technique de précurseurs soufrés ou de particules pré-formées en altitude, l'effet refroidissant observé après les grandes éruptions volcaniques. Le rapport AR6 du GIEC, dans sa partie consacrée aux options de Solar Radiation Modification (SRM), identifie le SAI comme la méthode SRM la plus étudiée et lui attribue une haute confiance théorique pour limiter le réchauffement sous le seuil de 1,5°C, tout en rappelant qu'aucune méthode SRM ne remplace la réduction des émissions de gaz à effet de serre.

Une parenthèse personnelle, parce qu'elle structure la manière dont je présente ce dossier en cours. Quand j'évoque le SAI devant des cadres territoriaux en reconversion, la première question est toujours la même : « si ça refroidit, pourquoi on ne le fait pas ? ». La réponse tient en deux mouvements. D'abord, l'effet est purement palliatif, il masque la chaleur sans toucher à la cause (concentration de CO2), et tout arrêt brutal produirait un rebond thermique violent, le « termination shock » discuté dans la littérature. Ensuite, les effets secondaires, et notamment la chimie de l'ozone, ne sont pas marginaux. Le verrou n'est pas technologique, il est systémique.

Le projet SCoPEx (Stratospheric Controlled Perturbation Experiment), mené à Harvard et longtemps présenté comme le test de terrain pionnier, a été annulé en mars 2024 sans qu'aucune expérience d'injection stratosphérique n'ait été conduite, selon les communications du Salata Institute. À ce jour, aucune expérience SAI à échelle stratosphérique réelle n'a été réalisée. Le dossier reste donc adossé aux mesures volcaniques rétroanalysées et aux modèles numériques.

Pour les ordres de grandeur des contraintes systémiques (énergie, climat, économie), la fiche tipping points climatiques fournit un cadre de lecture utile, parce que la tentation de la géoingénierie augmente précisément quand certains seuils paraissent imminents.

C'est le talon d'Achille technique du SAI, et la raison pour laquelle la littérature reste prudente. Les aérosols sulfatés stratosphériques offrent une surface réactive sur laquelle se produisent des réactions hétérogènes qui activent les composés chlorés et bromés sous une forme catalytiquement active, laquelle détruit l'ozone. Le mécanisme a été établi par les travaux fondateurs de Solomon et collaborateurs publiés en 1992.

Les observations post-Pinatubo confirment l'effet à grande échelle. Selon le rapport NOAA CSL de 1994, la dépletion d'ozone aux moyennes latitudes a dépassé 20 % au printemps dans certaines régions peuplées de l'hémisphère Nord, et le total ozone de 1992-1993 s'est situé 2 à 3 % sous toute année antérieure mesurée. En 1992, le trou d'ozone antarctique a atteint une superficie de 27 millions de km².

Une étude publiée en 2025 dans Nature confirme par modélisation que l'injection délibérée d'aérosols sulfatés produirait simultanément un réchauffement stratosphérique et une dépletion de l'ozone, ce qui rejoue à plus grande échelle et de manière soutenue le scénario observé après Pinatubo. La nuance est importante ici : un volcan injecte une fois, le SAI suppose une injection continue, ce qui modifie l'équilibre de long terme.

Sur la possibilité d'utiliser des particules alternatives moins agressives pour l'ozone (alumine, carbonate de calcium), la littérature reste exploratoire et je trouve qu'elle relève davantage de la simulation que de la donnée empirique. Les travaux modélisés sont prometteurs, mais aucun dispositif n'a été testé en stratosphère réelle, et le retour d'expérience volcanique n'existe pas pour ces composés.

Pour fixer ce qui doit être retenu :

1. Les aérosols sulfatés stratosphériques sont un mécanisme physique réel et mesuré. Le Pinatubo a fourni une calibration rare, avec un refroidissement situé entre −0,4 et −0,6°C selon les mesures et une durée de résidence d'environ 22 mois.
2. Le SAI est étudié, pas testé. Le GIEC le classe comme la méthode SRM la plus documentée théoriquement, mais SCoPEx a été annulé en 2024 et aucune expérience stratosphérique réelle n'a eu lieu.
3. L'ozone est le verrou technique principal. Les réactions hétérogènes sur surface aérosol activent les halogènes et détruisent l'ozone, avec une dépletion observée supérieure à 20 % aux moyennes latitudes après Pinatubo. Toute stratégie SAI durable devrait gérer cet effet, et la littérature 2025 ne le considère pas comme résolu.

Pour les enseignants, les chargés de mission climat et les cadres de santé environnementale, la conséquence opérationnelle est nette. La géoingénierie solaire par aérosols sulfatés ne se traite pas comme une option de substitution à la décarbonation, elle reste un dispositif palliatif sous conditions, dont les effets secondaires stratosphériques sont documentés mais pas maîtrisés. Le débat utile n'est pas « pour ou contre », il est « sous quels seuils, avec quelles garanties, dans quelles trajectoires d'émissions ».

• USGS, Self et al., The Atmospheric Impact of the 1991 Mount Pinatubo Eruption
• NASA Earth Observatory, Global Effects of Mount Pinatubo
• ACP 2025, Stratospheric aerosol residence time post-Pinatubo
• NOAA CSL 1994, Ozone depletion after Pinatubo, common questions
• Solomon et al. 1992, Heterogeneous chemistry on sulfate aerosols
• Salata Institute, Harvard, SCoPEx project status
• Climate and Clean Air Coalition (C2G), IPCC AR6 SRM assessment summary