The interplay between emission reduction and climate engineering for the stability and effectiveness of international climate agreements

The increasingly worrying situation regarding Climate Change, linked with the lack of results accomplished in term of mitigation efforts has led to the study of alternative methods that could reduce temperatures by directly intervening on the Earth’s climatic system -a strategy called geo-engineering. The aim of this thesis is to analyze how geoengineering interacts with traditional emission reduction policies and how this can affect international cooperation. To do so, we first formulate the problem in an analytical game theoretic framework, expanding existing literature by proposing a static model of optimal emission reduction and geoengineering deployment with heterogenous players. We show how geo-engineering can cause a decrease in mitigation efforts and how lack of cooperation can lead to its abuse and the surge of "free driving". We then turned to a numerical analysis in a real world scenario with 57 players or regions, a resolution never attempted before, extending the Integrated Assessment Model (IAM) RICE50x by adding an geo-engineering module and performing a large ensemble of scenario runs. We confirm and extend the analytical results, finding that with global cooperation geo-engineering can be used to effectively keep temperature in check, but when lacking cooperation, the regions with the highest climate change impacts deploy climate engineering at the expenses of the others, leading to a globally suboptimal outcome. To address the central question of cooperation, we furthermore investigated how geo-engineering can affect the stability and the effectiveness of international climate agreements by studying a coalition formation game adapting our numerical model to handle coalitions. We find that the gamma-core stability of coalitions is greatly improved and that geo-engineering is used to complement emission reductions. We identify two clusters of coalitions, one formed by the ones containing China and the other not. While the latter uses more geo-engineering to compensate the high emissions of China, coalitions including China have lower levels of geo-engineering while on average keeping temperature below 2°C as agreed upon in the Paris agreement.

La preoccupante situazione riguardo al cambiamento climatico, legata alla mancanza di risultati raggiunti in termini di riduzione di emissioni, ha portato allo studio di metodi alternativi, rinominati geo-ingegneria o SRM, che mirano a ridurre le temperature tramite un intervento su larga scala nel sistema climatico della Terra. Lo scopo di questa tesi è quello di analizzare come questi interagiscano con le politiche tradizionali di riduzione delle emissioni e come possano influenzare la cooperazione internazionale. Abbiamo prima formulato il nostro problema usando la teoria dei giochi, espandendo la letteratura esistente con un modello statico di ottimizzazione di geo-ingegneria e mitigazione per giocatori eterogenei, mostrando come l’introduzione di SRM possa causare una diminuzione degli sforzi di mitigazione e come la mancanza di cooperazione possa portare al suo abuso e alla comparsa di "free driving". Ci siamo poi rivolti ad un'analisi numerica in uno scenario del mondo reale con 57 giocatori, estendendo il modello RICE50x con l'aggiunta di un modulo di geo-ingegneria. Abbiamo confermato ed esteso i risultati analitici, trovando che con la cooperazione globale la geo-ingegneria può essere usata per tenere efficacemente sotto controllo la temperatura, ma quando questa manca le regioni con i più alti impatti climatici la utilizzano a spese delle altre, portando a un risultato sub-ottimale a livello globale. Per affrontare la centrale questione della cooperazione, abbiamo studiato come la geo-ingegneria possa influenzare la stabilità e l'efficacia degli accordi internazionali sul clima, studiando un gioco di formazione di coalizioni tramite un adattamento del modello numerico. Troviamo che la stabilità delle coalizioni è notevolmente migliorata e che SRM viene usato in modo complementare alla riduzione delle emissioni. Osserviamo la presenza di due cluster di coalizioni, uno formato da quelle che contengono la Cina e l’altro no. Mentre quest'ultime usano più geo-ingegneria per compensare le alte emissioni della Cina, le prime hanno livelli più bassi di geo-ingegneria, mantenendo in media la temperatura sotto i 2°C come concordato negli accordi di Parigi.