mirrors_prevent_climate_change
1.0.0
Für ordnungsgemäß gerenderte Formeln klicken
Autor: Benjamin W. Portner, Bauhaus Luftfahrt EV, Willy-Messerschmitt-Strahme 1, 82024 Taufkirchen
Angesichts der Tatsache, dass Land eine begrenzte Ressource ist, was ist wirksamer bei der Bekämpfung des Klimawandels: Bauen von Spiegeln, die das eingehende Sonnenlicht widerspiegeln oder ein synthetisches Kraftstoffwerk bauen, um fossile Brennstoffe zu ersetzen?
Bild mit freundlicher Genehmigung von NASA: Loeb et al., J. Clim 2009 & Trenberth et al., Bams 2009. Hosting von Wikipedia.
Zitat wikipedia (https://en.wikipedia.org/wiki/Solar_constant): Die Menge an Sonnenenergie, die von einem flachen Objekt in einer Entfernung einer astronomischen Einheit (AU) von der Sonne empfangen wird, wird als Solarkonstante definiert:
$ F_ {in} = sigma cdot dfrac { pi r_e^2} {4 pi r_e^2} ca. 340, frac {w} {m^2} $
Dies ist die mit der Bezeichnung "eingehende Sonnenstrahlung" bezeichnete Menge in der obigen Grafik. Von den 340 W/m2 werden ungefähr 30% durch die Atmosphäre und die Erdoberfläche wieder in den Weltraum reflektiert. Dieser Wert zeigt die durchschnittliche Albedo der Erde (Atmsopheric + Oberfläche). Weitere 23% der eingehenden Strahlung werden von der Atmosphäre absorbiert und als Infrarotstrahlung wieder emporiert. Effektiv erreichen 186 W/m2 (55%) die Erdoberfläche (vor Oberflächenreflexion).
Die durchschnittliche Oberflächenalbedo ist das Verhältnis der reflektierten Strahlung zu eingehenden Strahlung:
Durch die Verwendung von Spiegeln kann dieser Wert erhöht werden. Mehr Energie würde wieder in den Weltraum reflektiert, weniger Energie würde absorbiert und in Infrarotstrahlung verwandelt. Daher würde eine zunehmende Oberflächenalbedo einen Kühlungseffekt auf das Klima haben. Im nächsten Abschnitt werde ich versuchen, diesen Effekt zu quantifizieren.
Wie bereits erwähnt, bedeutet die Installation von Spiegeln effektiv die Albedo der Erdoberfläche. Albedo ist ein ziemlich ungewöhnlicher Begriff, um die Effizienz der Lichtreflexion für Spiegel zu beschreiben. Stattdessen wird der Begriff Reflexionsvermögen verwendet (obwohl die Definition mit dem von Albedo identisch ist). Das Reflexionsvermögen hängt von vielen Faktoren wie der Wellenlänge des eingehenden Lichts, der Spiegelmaterialdicke und seiner elementaren Zusammensetzung ab.
Bild mit freundlicher Genehmigung von Wikipedia: https://en.wikipedia.org/wiki/file:Solar_spectrum_en.svgg
Die obere Grafik zeigt die spektrale Zusammensetzung des Sonnenlichts sowohl oben in der Atmosphäre (gelb) als auch an der Erdoberfläche (rot). Es ist klar, dass der größte Teil der Energie an der Oberfläche im sichtbaren und nahezu Infrarotspektrum getragen wird. Kleinere Beträge fallen in den Bereich UV-A und -B und im IR-B-Bereich. Ein idealer Spiegel wäre unempfindlich gegenüber dem Unterschied. In Wirklichkeit sind Spiegel normalerweise entweder für kurze oder lange Wellenlängen empfindlich. Aluminium zum Beispiel "reflektiert 85 bis 90% des Lichts im sichtbaren bis nahezu ultravioletten Bereich, erlebt jedoch einen Rückgang des Reflexionsvermögens zwischen 800 und 900 nm". Silber hingegen "kann bis zu 98 oder 99% des Lichts bis zu Wellenlängen bis zu 2000 nm reflektieren, verliert jedoch fast alle Reflexionsvermögen bei Wellenlängen, die kürzer als 350 nm" (https://en.wikipedia.org/wiki/mirror#tolerances). Silver wäre wahrscheinlich der beste Kandidat für unsere Spiegel. Aluminium ist jedoch aus wirtschaftlichen Gründen die wahrscheinlichere Wahl für eine groß angelegte Anwendung. In Anbetracht dessen nehmen wir ein Reflexionsvermögen an
$ F_ {reflektiert} = f_ {surface} cdot epsilon_ {Mirror} ca. 93, frac {w} {m^2} $
Nach dem Reflexion vom Spiegel trifft die Strahlung erneut auf die Atmosphäre. Der Energiefluss, der die Erde verlässt, wird durch die Transmissivität der Erdatmosphäre definiert:
$ F_ {out} = f_ {reflektiert} cdot theta_ {atmosphere} $
Die Übertragung kann von der ersten Grafik angenähert werden. Von der eingehenden Sonnenstrahlung wurden 23% von der Atmosphäre absorbiert. Diese Energie wird teilweise an die Erdoberfläche und teilweise zum Weltraum wieder aufgenommen. Für diese Analyse gehe ich davon aus, dass die Verteilung 50:50 beträgt. Weitere 23% der eingehenden Sonnenstrahlung wurden wieder in den Weltraum reflektiert. Infolgedessen wird die gleiche Menge wieder auf die Erde reflektiert, wenn sie von der entgegengesetzten Seite kommt. Ein kleiner Teil wird dann von der Oberfläche und so weiter reflektiert. Dieser Betrag wird hier vernachlässigt. Die gesamte reflektierte Strahlung wird als nicht übertragen behandelt. Daher:
$ theta_ {Atmosphäre} ca. 1 - 0,23 CDOT 0,5 - 0,23 ca. 0,66 $
Einfügen von Erträgen
$ F_ {out} = 61, frac {w} {m^2} $
Nach der Installation des Spiegels werden 61 W/m2 von der Erde zurück zum Weltraum reflektiert. Vor der Installation wurden 23 W/m2 aufgrund der Oberflächenalbedo reflektiert. Der Unterschied ist die Veränderung der Energiebilanz unserer Erde:
$ Delta f = 23, frac {w} {m^2} - 61, frac {w} {m^2} = -38, frac {w} {m^2} $
Der Bereich im Nenner bezieht sich auf den Bereich des Spiegels. Strahlungsantrieb wird normalerweise in Bezug auf die Erdoberfläche ausgedrückt. Das Strahlungsantrieb (RF) eines Spiegelfeldes ist also:
$ Rf = delta f cdot dfrac {a_ {Mirror}} {a_ {erd}} appla delta f cdot dfrac {a_ {minor}} {510.1 cdot 10^6 km^2} $
CO2 ist ein sogenanntes Treibhausgas (THG). THGs sind gute Strahlungssender von kurzen Wellenlängen und gute Absorber für die Strahlung langer Wellenlängen. So erlauben sie Energie in Form von Sonnenlicht, um die Erde zu erreichen, und verhindern, dass eine langwellige Strahlung in den Weltraum entkommt. Dank dieses Effekts beträgt die durchschnittliche Oberflächentemperatur auf der Erde einen gemütlichen 14 ° C als bei einem Einfrieren von -18 ° C, wenn sie keine Atmosphäre hatte (https://en.wikipedia.org/wiki/greenhouse_effect).
Wenn die Konzentration von Treibhausgas in der Atmosphäre zunimmt, wird auch die Erde Temperatur. Diese Änderung kann äquivalent als Erhöhung der eingehenden (und damit kontaktfreudigen) Sonnenstrahlung ausgedrückt werden. Dies nennen Wissenschaftler Strahlungsantrieb
$ Rf, links [ dfrac {w} {m^2} rechts] = 5.35 ln links ( dfrac {c} {c_0} rechts) = 5.35 ln links ( dfrac {c_0 + della c} {c_0} $) $ $) $ $)
Wo
Lassen Sie uns diese Gleichung nun eher als Masse als in der Konzentration ausdrücken, um die Handhabung zu erleichtern. Ein ppm-V von CO 2 entspricht ungefähr 2,13 GT Carbon (https://cdiac.ess-dive.lbl.gov/pns/faq.html). Daher:
$ Delta c, [ppm text {-} v] ca. 2.13 delta m_ {c}, [gt] ca. 7,81 delta m_ {co_2}, [gt] $
Einfügen von Erträgen:
$ Rf, links [ dfrac {w} {m^2} right] = 5.35 ln bigg (1 + 0,02, delta m_ {co_2} [gt] bigg) $
Lassen Sie uns das verwenden, was wir wissen, um eine praktische Frage zu beantworten: Welchen Spiegelbereich wäre erforderlich, um die CO 2 -Emissionen des Luftfahrtsektors zu kompensieren?
Die Aviation Co 2- Emissionen im Jahr 2018 betrugen 0,895 GT (https://www.atag.org/facts-figures.html). Nicht all diese CO 2 trägt jedoch zum Strahlungsantrieb bei. Ein Teil des emittierten CO 2 wird von den Erden Ozeanen und Pflanzen absorbiert. In der Vergangenheit blieben etwa 45% der emittierten CO 2 in der Atmosphäre, während 55% absorbiert wurden (https://earthobservatory.nasa.gov/features/carboncycle/page5.php). Der atmosphärische CO 2 -Anstieg war also:
$ Delta m_ {co_2} ca. 0,45 cdot 0,895, gt ca. 0,4, gt $
Die entsprechende Strahlungsantrieb beträgt:
$ Rf_ {aviation} = 0,04, dfrac {w} {m^2} $
Wie viel Spiegelbereich ist nun erforderlich, um diese HF zu kompensieren? Ausdrücken des Gebiets in Prozent der Erdoberfläche:
$ dfrac {a_ {Mirror}} {a_ {erd}} = - dfrac {rf_ {aviation} { delta f_ {minor}} cdot 100 % ca. ca. ca. 0,1 % $
Durch die Abdeckung von 0,1% der Erdoberfläche (ca. 54 Mio. Mio. 2 ) mit Spiegeln könnte man die CO 2- Emissionen der Luftfahrtindustrie des Jahres 2018 ausgleichen (nicht berücksichtigt, dass Non-Co- 2 -Effekte berücksichtigt werden). Beachten Sie, dass das Ergebnis tatsächlich eine Rate ist. Jedes Jahr wird mehr CO 2 emittiert und es müssten mehr Spiegel gebaut werden.
Horizon 2020 Project Sun-to-Liquid (S2L) schlägt einen Weg zur Herstellung von Strahlbrennstoff aus atmosphärischem CO 2 vor, unter Verwendung von Energie aus konzentriertem Sonnenlicht. Die Kette von CO 2 bis Kraftstoff ist lang und jeder Schritt fügt technische Verluste und Materialanforderungen hinzu. Es stellt sich also die Frage: Lohnt es sich, den Kraftstoff zu produzieren, oder wäre es effizienter, die Sonnenstrahlung mit denselben Spiegeln wieder in den Raum zu reflektieren?
Es gibt keine Industrieanlage, daher basieren meine Schätzungen auf der Berechnung von Christoph für ein skaliertes Design. Die Anlage produziert 30.300 Liter Kraftstoff pro Hektar und Jahr. Die Lebenszyklus-Treibhausgasemissionen des Kraftstoffs (Wohltat) belaufen sich auf 0,6 kg CO 2 -äquivalente pro Brand. Fossile Jet -Kraftstoff produziert während des gesamten Lebenszyklus rund 2,9 kg CO 2 -äquivalente pro Liter. Die Gesamtemissionsersparnisse pro Hektar für ein Jahr sind dann:
$ Delta m_ {s2l} = 30300, dfrac {l} {ha} cdot links (2,9-0.6 rechts) dfrac {kg_ {co_2-eq}} {l} ux 7.0, dfrac {kg_ {kg_ {kg_ {kg_ {kg_ {kg_ {kg_ {kg_ {kg_ {kg_ {kg_ {kg_ {kg_ {kg_ {kg_ {kg_ {kg_ {kg_ {kg {kg {kg {kg {kg {kg) {kg {kg.
Welcher Bereich wäre notwendig, um die Emissionen der Luftfahrt für das Jahr 2018 zu kompensieren?
$ dfrac {a_ {s2l}} {a_ {earth}} = dfrac { delta m_ {co_2} { delta m_ {s2l} cdot a_ {Earth}} cd. kg. } Oder
Die S2L-Anlage ist etwa 10-mal flüssiger als die Verwendung von Spiegeln. Beachten Sie, dass die S2L-Emissionssparungen für Nicht-Co- 2- Effekte ausmachen. Die Zahl für die Emissionen der Luftfahrtindustrie enthält nur CO 2 . Die reale Flächennachfrage wäre höher, wenn die Nicht-Co- 2 -Emissionen enthalten wären.
Waldspeicher zwischen 100 und 500 Tonnen Kohlenstoff pro Hektar (http://www.fao.org/3/y0900e/y0900e06.htm). Dies führt zu 360-1800 T CO 2, die pro Hektar absorbiert sind. Unter der Annahme der Untergrenze ist das Gebiet, das erforderlich ist, um ein Jahr der Luftfahrtemissionen zu kompensieren,:
Daher ist die Aufforstung mindestens 50-mal flüssiger als die Verwendung von Spiegeln und mindestens das Fünf-mal flüssiger als die S2L-Anlage. Verwenden des oberen Bereichswerts:
Die Aufforstung ist höchstens 20-mal flüssiger als das S2L-Werk.
Sowohl die Aufforstung als auch die Kraftstoffproduktion unter Verwendung von Solarenergie verhindern den Klimawandel als Spiegel. Die Aufforstung ist wahrscheinlich flächeneffizienter als S2L, was es zum effektivsten Szenario macht.
