mirrors_prevent_climate_change
1.0.0
للحصول على الصيغ المقدمة بشكل صحيح ، انقر هنا: https: //nbviewer.jupyter.org/github/benportner/mirrors_prevent_climate_change/blob/master/mirrors_rf.html
المؤلف: بنيامين دبليو بورنر ، باوهاوس لوفتفاهرت إيف ، ويلي ميسرسميت شترا 1 ، 82024 توفكرشن
بالنظر إلى أن الأرض مورد محدود ، ما هو أكثر فعالية في معالجة تغير المناخ: بناء المرايا التي تعكس ضوء الشمس الوارد أو بناء مصنع للوقود الاصطناعي لاستبدال الوقود الأحفوري؟
Image Scidsy of NASA: Loeb et al.
نقلاً عن ويكيبيديا (https://en.wikipedia.org/wiki/solar_constant): يتم تعريف كمية الطاقة الشمسية التي يتلقاها كائن مسطح على مسافة وحدة فلكية واحدة (AU) من الشمس على أنها ثابتة الطاقة الشمسية:
$ f_ {in} = sigma cdot dfrac { pi r_e^2} {4 pi r_e^2} apperx 340 ، frac {w} {m^2} $ $
هذا هو الكمية المسمى "الإشعاع الشمسي الوارد" في الرسم أعلاه. من 340 واط/م 2 ، ينعكس حوالي 30 ٪ مرة أخرى في الفضاء بواسطة الغلاف الجوي وسطح الأرض. تقدم هذه القيمة متوسط البيض للأرض (Atmsopheric + سطح). يتم امتصاص 23 ٪ أخرى من الإشعاع الوارد من قبل الغلاف الجوي وإعدامها كإشعاع بالأشعة تحت الحمراء. على نحو فعال ، يصل 186 واط/م 2 (55 ٪) إلى سطح الأرض (قبل انعكاس السطح).
متوسط السطح البياض هو نسبة الإشعاع المنعكس إلى الإشعاع الوارد:
باستخدام المرايا ، يمكن زيادة هذه القيمة. سوف تنعكس المزيد من الطاقة مرة أخرى إلى الفضاء ، وسيتم امتصاص طاقة أقل وتحويلها إلى إشعاع بالأشعة تحت الحمراء. وبالتالي ، فإن زيادة البياض السطحي سيكون له تأثير تبريد على المناخ. في القسم التالي ، سأحاول تحديد هذا التأثير.
كما ذكرنا من قبل ، فإن تثبيت المرايا يعني بشكل فعال زيادة البيض لسطح الأرض. Albedo هو مصطلح غير شائع إلى حد ما لوصف كفاءة انعكاس الضوء للمرايا. بدلاً من ذلك ، يتم استخدام مصطلح الانعكاس (على الرغم من أن تعريفه متطابق مع Albedo). يعتمد الانعكاس على العديد من العوامل مثل الطول الموجي للضوء الوارد ، وسمك المادة المرآة ، وتكوينه الأولي.
الصورة من Wikipedia: https://en.wikipedia.org/wiki/file:solar_spectrum_en.svg
يوضح الرسم أعلاه التركيبة الطيفية لأشعة الشمس ، سواء في الجزء العلوي من الجو (الأصفر) أو على سطح الأرض (أحمر). من الواضح أن معظم الطاقة على السطح يتم حملها في الطيف المرئي والقريب من الأشعة تحت الحمراء. تندرج كميات أصغر في نطاق UV-A و -B وفي نطاق الأشعة تحت الحمراء. ستكون المرآة المثالية غير حساسة للفرق. في الواقع ، عادة ما تكون المرايا حساسة إما لأطوال موجية قصيرة أو إلى أطوال طويلة. سيعكس الألومنيوم على سبيل المثال "85 إلى 90 ٪ من الضوء في نطاق المرئي إلى النطاق القريب ، ولكنه يعاني من انخفاض في انعكاسه بين 800 و 900 نانومتر". من ناحية أخرى ، "يمكن أن تعكس ما يصل إلى 98 أو 99 ٪ من الضوء إلى الأطوال الموجية لمدة تصل إلى 2000 نانومتر ، ولكنه يفقد كل ما يقرب من الانعكاس في الأطوال الموجية أقصر من 350 نانومتر" (https://en.wikipedia.org/wiki/Mirror#tolerances). من المحتمل أن تكون الفضة أفضل مرشح للمرايا. ومع ذلك ، فإن الألمنيوم هو الخيار الأكثر احتمالا للتطبيق على نطاق واسع لأسباب اقتصادية. بالنظر إلى هذا ، دعنا نفترض انعكاسًا
$ f_ {Repressed} = f_ {surfer} cdot epsilon_ {mirror} apprx 93 ، frac {w} {m^2} $
بعد الانعكاس من المرآة ، سوف يضرب الإشعاع مرة أخرى. يتم تعريف تدفق الطاقة الذي يترك الأرض عن طريق نقل الغلاف الجوي للأرض:
$ f_ {out} = f_ {Reflection} cdot theta_ {Atmosphere} $
يمكن تقريب النقل من الرسم الأول. من الإشعاع الشمسي الوارد ، تم امتصاص 23 ٪ من قبل الغلاف الجوي. سيتم إعادة تنظيم هذه الطاقة جزئيًا على سطح الأرض وجزئيًا إلى الفضاء. لهذا التحليل ، أفترض أن التوزيع هو 50:50. انعكس 23 ٪ أخرى من الإشعاع الشمسي الوارد إلى الفضاء. وبالتالي ، سوف ينعكس نفس المبلغ مرة أخرى إلى الأرض عندما يأتي من الجانب الآخر. بعد ذلك ، سيتم إعادة تعبئة جزء صغير من السطح وهلم جرا. تم إهمال هذا المبلغ هنا. يتم التعامل مع جميع الإشعاع المنعكس على أنه لا ينتقل. هكذا:
$ theta_ {Atmosher
إدخال الغلة
$ f_ {out} = 61 ، frac {w} {m^2} $
بعد تثبيت المرآة ، تنعكس 61 W/M2 من الأرض إلى الفضاء. قبل التثبيت ، انعكس 23 واط/م 2 بسبب البيض السطحي. الفرق هو التغيير في توازن طاقة الأرض لدينا:
$ delta f = 23 ، frac {w} {m^2} - 61 ، frac {w} {m^2} = -38 ، frac {w} {m^2} $
تشير المنطقة في المقام إلى منطقة المرآة. عادة ما يتم التعبير عن التأثير الإشعاعي في إشارة إلى مساحة سطح الأرض. وهكذا فإن التأثير الإشعاعي (RF) لحقل المرايا هو:
$ rf = delta f cdot dfrac {a_ {mirror}} {a_ {earth}} apprx delta f cdot dfrac {a_ {mirror}} {510.1 cdot 10^6 km^2} $
ثاني أكسيد الكربون هو ما يسمى غازات الدفيئة (غازات الدفيئة). غازات الدفيئة هي أجهزة إرسال جيدة للإشعاع من الأطوال الموجية القصيرة وهي امتصاص جيدة للإشعاع من الأطوال الموجية الطويلة. وبالتالي ، فإنهم يسمحون للطاقة في شكل ضوء الشمس للوصول إلى الأرض ويمنعون إشعاع الطول الموجي الطويل من الهروب إلى الفضاء. بفضل هذا التأثير ، يبلغ متوسط درجة حرارة السطح على الأرض 14 درجة مئوية بدلاً من التجميد -18 درجة مئوية إذا لم يكن لديها جو (https://en.wikipedia.org/wiki/greenhouse_effect).
إذا زاد تركيز غازات الدفيئة في الغلاف الجوي ، فإن درجة حرارة الأرض. يمكن التعبير عن هذا التغيير بشكل متساوٍ كزيادة في الإشعاع الشمسي الوارد (وبالتالي على افتراض التوازن). هذا هو ما يسميه العلماء التأثير الإشعاعي
$ rf ، left [ dfrac {w} {m^2} right] = 5.35 ln left ( dfrac {c} {c_0} right) = 5.35 ln left ( dfrac {c_ delta c}
أين
الآن ، دعنا نعبر عن هذه المعادلة من حيث الكتلة بدلاً من التركيز ، لتسهيل التعامل. يتوافق PPM-V من CO 2 تقريبًا مع 2.13 GT من الكربون (https://cdiac.ess-dive.lbl.gov/pns/faq.html). هكذا:
$ delta c ، [ppm text {-} v] apperx 2.13 delta m_ {c} ، [gt] apprx 7.81 delta m_ {co_2} ، [gt] $
إدراج الغلة:
$ rf ، left [ dfrac {w} {m^2} right] = 5.35 ln bigg (1 + 0.02 ، delta m_ {co_2} [gt] bigg) $
دعنا نستخدم ما نعرفه للإجابة على سؤال عملي: ما هي منطقة المرآة التي ستكون ضرورية لتعويض انبعاثات CO 2 في قطاع الطيران؟
بلغت انبعاثات Co 2 Aviation في عام 2018 0.895 GT (https://www.atag.org/facts-figures.html). ومع ذلك ، لا يضيف كل هذا ثاني أكسيد الكربون إلى التأثير الإشعاعي. يتم امتصاص جزء من CO 2 المنبعث من قبل محيطات الأرض والنباتات. في الماضي ، بقي حوالي 45 ٪ من CO 2 المنبعث في الجو ، في حين تم امتصاص 55 ٪ (https://earthobservatory.nasa.gov/features/carboncycle/page5.php). وهكذا كانت زيادة ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي 2 :
$ delta m_ {co_2} approx 0.45 cdot 0.895 ، gt apprx 0.4 ، gt $
إن التأثير الإشعاعي المقابل يصل إلى:
$ rf_ {Aviation} = 0.04 ، dfrac {w} {m^2} $
الآن ، ما مقدار مساحة المرآة الضرورية لتعويض هذا التردد اللاسلكي؟ التعبير عن المنطقة في المئة من سطح الأرض:
$ dfrac {a_ {mirror}} {a_ {earth}}} = - dfrac {rf_ {aviation}} { delta f_ {mirror}} cdot 100 ٪ entx 0.1 ٪ $
من خلال تغطية 0.1 ٪ من سطح الأرض (حوالي 54 MIO. KM 2 ) مع المرايا ، يمكن للمرء أن يعوض انبعاثات CO 2 في صناعة الطيران لعام 2018 (لا يأخذ في الاعتبار التأثيرات غير CO 2 ). لاحظ أن النتيجة هي في الواقع معدل. كل عام ، يتم تنبعث المزيد من ثاني أكسيد الكربون وسيحتاج المزيد من المرايا إلى بناء.
يقترح Horizon 2020 Project من الشمس إلى السائل (S2L) طريقًا لإنتاج وقود نفاث من ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي باستخدام الطاقة من أشعة الشمس المركزة. السلسلة من COS 2 إلى الوقود طويل وتضيف كل خطوة إلى الخسائر الفنية ومتطلبات المواد. وبالتالي ، فإن السؤال الذي يطرح نفسه ينشأ: هل يستحق أن تسير على طول الطريق لإنتاج الوقود أم أنه سيكون أكثر كفاءة في عكس الإشعاع الشمسي مرة أخرى إلى الفضاء باستخدام نفس المرايا؟
لا يوجد مصنع صناعي إلى تاريخ ، لذلك تستند تقديراتي إلى حساب كريستوف لتصميم مقاس. ينتج المصنع 30300 لتر من الوقود لكل هكتار وسنة. تبلغ انبعاثات غازات الدفيئة للدورة المنتجة للوقود (بشكل جيد) 0.6 كيلوغرام من ثاني أكسيد الكربون-محترقة لكل لتر. تنتج Fossil Jet Fuel حوالي 2.9 كجم من CO 2 -تكافؤ لكل لتر طوال دورة حياته. إجمالي مدخرات الانبعاثات لكل هكتار لمدة عام واحد:
$ delta m_ {s2l} = 30300 ، dfrac {l} {ha} cdot left (2.9-0.6 right) dfrac {kg_ {co_2-eq}} {l} entx 7.0 ، dfrac {kg_ {
ما المجال الذي سيكون ضروريًا لتعويض انبعاثات الطيران لعام 2018؟
$ dfrac {a_ {s2l}} {a_ {earth}}} = dfrac { delta m_ {co_2}} { delta m_ {s2l} cdot a_ {Earth}} } {7.0 ، frac {kg_ {co_2-eq}} {m^2} cdot 510.1 cdot 10^{12} m^2} CDOT 100 ٪ al apprx 0.01 ٪ $
يبلغ كفاءة مصنع S2L حوالي 10 مرات من استخدام المرايا. لاحظ أن توفير انبعاثات S2L للتأثيرات غير CO 2 . الرقم المعطى لحسابات انبعاثات صناعة الطيران لـ CO 2 فقط. سيكون الطلب الحقيقي في المنطقة أعلى إذا تم تضمين انبعاثات غير CO 2 .
تخزن الغابات ما بين 100 و 500 طن من الكربون لكل هكتار (http://www.fao.org/3/y0900e/y0900e06.htm). هذا يترجم إلى 360-1800 T CO 2 تم امتصاصه لكل هكتار. على افتراض الحد الأدنى ، فإن المنطقة اللازمة لتعويض سنة واحدة من انبعاثات الطيران هي:
وبالتالي ، فإن التثبيت أكثر من 50 مرة على الأقل كفاءة في المساحة من استخدام المرايا وعلى الأقل 5 مرات أكثر كفاءة في المنطقة من مصنع S2L. باستخدام قيمة النطاق العلوي:
إن التقويث أكثر من 20 مرة أكثر كفاءة في المنطقة من مصنع S2L.
كل من الإفراط في إنتاج الوقود وإنتاج الوقود باستخدام الطاقة الشمسية أكثر كفاءة في المناطق في منع تغير المناخ من المرايا. من المرجح أن تكون التقنية أكثر كفاءة في المنطقة من S2L ، مما يجعله السيناريو الأكثر فعالية.
