mirrors_prevent_climate_change
1.0.0
Para fórmulas renderizadas correctamente, haga clic aquí: https: //nbviewer.jupyter.org/github/benportner/mirrors_prevent_climate_change/blob/master/mirrors_rf.html
Autor: Benjamin W. Portner, Bauhaus Luftfahrt EV, Willy-Messerschmitt-Straße 1, 82024 Taufkirchen
Dado que la tierra es un recurso limitado, ¿qué es más efectivo para abordar el cambio climático: construir espejos que reflejen la luz solar entrante o la construcción de una planta de combustible sintético para reemplazar los combustibles fósiles?
Imagen cortesía de la NASA: Loeb et al., J. Clim 2009 y Trenberth et al, Bams 2009. Hosting impulsado por Wikipedia.
Citando a Wikipedia (https://en.wikipedia.org/wiki/solar_constant): la cantidad de energía solar recibida por un objeto plano a una distancia de una unidad astronómica (AU) del sol se define como la constante solar:
$ F_ {in} = sigma cdot dfrac { pi r_e^2} {4 pi r_e^2} aprox 340, frac {w} {m^2} $
Esta es la cantidad etiquetada como "radiación solar entrante" en el gráfico anterior. De los 340 w/m2, aproximadamente el 30% se reflejan en el espacio por la atmósfera y la superficie de la Tierra. Este valor presenta el albedo promedio de la Tierra (AtmSoférico + Surface). Otro 23% de la radiación entrante es absorbida por la atmósfera y se reemolera como radiación infrarroja. Efectivamente, 186 w/m2 (55%) alcanzan la superficie de la tierra (antes de la reflexión de la superficie).
El albedo superficial promedio es la relación de radiación reflejada con radiación entrante:
Al usar espejos, este valor se puede aumentar. Se reflejaría más energía en el espacio, se absorbería menos energía y se convertiría en radiación infrarroja. Por lo tanto, aumentar el albedo de la superficie tendría un efecto de enfriamiento en el clima. En la siguiente sección, intentaré cuantificar este efecto.
Como se indicó anteriormente, la instalación de los espejos de manera efectiva significa aumentar el albedo de la superficie de la tierra. Albedo es un término bastante raro para describir la eficiencia del reflejo de la luz para los espejos. En cambio, se usa el término reflectividad (aunque su definición es idéntica a la del albedo). La reflectividad depende de muchos factores, como la longitud de onda de la luz entrante, el grosor del material espejo y su composición elemental.
Imagen cortesía de Wikipedia: https://en.wikipedia.org/wiki/file:solar_spectrum_en.svg
El gráfico anterior muestra la composición espectral de la luz solar, tanto en la parte superior de la atmósfera (amarilla) como en la superficie de la tierra (rojo). Claramente, la mayor parte de la energía en la superficie se transporta en el espectro visible y de infrarrojo cercano. Cantidades más pequeñas caen en el rango UV-A y -B y en el rango IR-B. Un espejo ideal sería insensible a la diferencia. En realidad, los espejos suelen ser sensibles a longitudes de onda cortas o a las largas. El aluminio, por ejemplo, "reflejará del 85 al 90% de la luz en el rango visible a la ultravioleta, pero experimenta una caída en su reflectancia entre 800 y 900 nm". La plata, por otro lado, "puede reflejar hasta el 98 o 99% de la luz a las longitudes de onda hasta 2000 nm, pero pierde casi toda la reflectividad en longitudes de onda más cortas que 350 nm" (https://en.wikipedia.org/wiki/mirror#tolerance). La plata probablemente sería el mejor candidato para nuestros espejos. Sin embargo, el aluminio es la opción más probable para la aplicación a gran escala por razones económicas. Teniendo en cuenta esto, asumamos una reflectividad
$ F_ {reflejado} = f_ {superficie} cdot epsilon_ {espejo} aprox 93, frac {w} {m^2} $
Después del reflejo del espejo, la radiación volverá a golpear la atmósfera. El flujo de energía que sale de la tierra se define por la transmisividad de la atmósfera de la Tierra:
$ F_ {out} = f_ {reflejado} cdot theta_ {atmósfera} $
La transmisividad se puede aproximar desde el primer gráfico. De la radiación solar entrante, el 23% fueron absorbidos por la atmósfera. Esta energía se volverá a emitir en parte a la superficie de la tierra y en parte al espacio. Para este análisis, supongo que la distribución es 50:50. Otro 23% de la radiación solar entrante se reflejó en el espacio. En consecuencia, la misma cantidad se reflejará en la tierra cuando venga del lado opuesto. Una pequeña parte se volverá a reflexionar por la superficie y así sucesivamente. Esta cantidad se descuida aquí. Toda la radiación reflejada se trata como no transmitida. De este modo:
$ theta_ {atmósfera} aprox 1 - 0.23 cdot 0.5 - 0.23 aprox 0.66 $
Insertar rendimientos
$ F_ {out} = 61, frac {w} {m^2} $
Después de instalar el espejo, 61 w/m2 se reflejan desde la tierra hasta el espacio. Antes de la instalación, se reflejaron 23 w/m2 debido al albedo de la superficie. La diferencia es el cambio en el equilibrio energético de nuestra Tierra:
$ Delta f = 23, frac {w} {m^2} - 61, frac {w} {m^2} = -38, frac {w} {m^2} $
El área en el denominador se refiere al área del espejo. El forzamiento radiativo generalmente se expresa en referencia a la superficie de la Tierra. El forzamiento radiativo (RF) de un campo de espejos es así:
$ Rf = delta f cdot dfrac {a_ {espejo}} {a_ {Earth}} aprox delta f cdot dfrac {a_ {espejo}} {510.1 cDot 10^6 km^2} $
El CO2 es un llamado gas de efecto invernadero (GEI). Los GEI son buenos transmisores de radiación de longitudes de onda cortas y son buenos absorbentes de radiación de longitudes de onda largas. Por lo tanto, permiten que la energía en forma de luz solar llegue a la Tierra y evitan que la radiación de longitud de onda se escape al espacio. Gracias a este efecto, la temperatura de superficie promedio en la Tierra está en un acogedor 14 ° C en lugar de congelar -18 ° C si no tenía una atmósfera (https://en.wikipedia.org/wiki/greenhouse_effect).
Si aumenta la concentración de GEI en la atmósfera, también lo hará la temperatura de la Tierra. Este cambio puede expresarse de manera equivalente como un aumento en la radiación solar entrante (y así saliente, suponiendo equilibrio). Esto es lo que los científicos llaman forzamiento radiativo
$ Rf, izquierda [ dfrac {w} {m^2} right] = 5.35 ln izquierda ( dfrac {c} {c_0} right) = 5.35 ln izquierda ( dfrac {c_0 + delta c} {c_0} right) $
Dónde
Ahora, expresemos esta ecuación en términos de masa en lugar de concentración, para un manejo más fácil. Un PPM-V de CO 2 corresponde aproximadamente a 2.13 GT de carbono (https://cdiac.ess-dive.lbl.gov/pns/faq.html). De este modo:
$ Delta c, [ppm text {-} v] aprox 2.13 delta m_ {c}, [gt] aprox 7.81 delta m_ {co_2}, [gt] $
Insertar rendimientos:
$ Rf, izquierda [ dfrac {w} {m^2} right] = 5.35 ln bigg (1 + 0.02, delta m_ {co_2} [gt] bigg) $
Usemos lo que sabemos para responder una pregunta práctica: ¿Qué área de espejo sería necesaria para compensar las emisiones de CO 2 del sector de aviación?
Las emisiones de Aviation Co 2 en 2018 ascendieron a 0.895 GT (https://www.atag.org/facts-figures.html). Sin embargo, no todo este CO 2 se suma al forzamiento radiativo. Parte del CO 2 emitido es absorbida por los océanos y plantas de la Tierra. En el pasado, aproximadamente el 45% de CO 2 emitido permaneció en la atmósfera, mientras que el 55% fueron absorbidos (https://earthobservatory.nasa.gov/features/carboncycle/page5.php). El aumento atmosférico de CO 2 fue así:
$ Delta m_ {CO_2} aprox 0.45 cdot 0.895, gt aprox 0.4, gt $
El forzamiento radiativo correspondiente equivale a:
$ Rf_ {aviation} = 0.04, dfrac {w} {m^2} $
Ahora, ¿cuánta área de espejo es necesaria para compensar este RF? Expresando el área en el porcentaje de la superficie de la Tierra:
$ dfrac {a_ {espejo}} {a_ {Earth}} = - dfrac {rf_ {aviation}} { delta f_ {espejo}} cDot 100 % aproximadamente 0.1 % $
Al cubrir el 0.1% de la superficie de la Tierra (ca. 54 MIO. KM 2 ) con espejos, uno podría compensar las emisiones de CO 2 de la industria de la aviación del año 2018 (no tener en cuenta los efectos sin co- 2 ). Tenga en cuenta que el resultado es en realidad una tasa. Cada año, se emite más CO 2 y se necesitarían construir más espejos.
El proyecto Horizon 2020 Project Sun-to-Liquid (S2L) propone una ruta para producir combustible para aviones de CO 2 atmosférico utilizando energía de la luz solar concentrada. La cadena de CO 2 capturada al combustible es larga y cada paso se suma a pérdidas técnicas y requisitos de material. Por lo tanto, surge la pregunta: ¿vale la pena ir hasta producir combustible o sería más eficiente reflejar la radiación solar de regreso al espacio usando los mismos espejos?
No existe una planta industrial hasta la fecha, por lo que mis estimaciones se basan en el cálculo de Christoph para un diseño escalado. La planta produce 30.300 litros de combustible por hectárea y año. Las emisiones de GEI del ciclo de vida del combustible producido (acomodados) ascienden a 0.6 kg de CO 2- equivalentes por litro quemados. El combustible para aviones fósiles produce alrededor de 2.9 kg de CO 2 -equivalentes por litro durante su ciclo de vida. Los ahorros de emisiones totales por hectárea por un año son entonces:
$ Delta m_ {s2l} = 30300, dfrac {l} {ha} cdot izquierdo (2.9-0.6 right) dfrac {kg_ {co_2-eq}} {l} aprox 7.0, dfrac {kg_ {co_2-eq}} {m^2}
¿Qué área sería necesaria para compensar las emisiones de la aviación para el año 2018?
$ dfrac {a_ {s2l}} {a_ {Earth}} = dfrac { delta m_ {co_2}} { delta m_ {s2l} cdot a_ {Earth}} cdot 100% apla - dfrac {400 cdot 10^9 kg_ {{}}}}}} frac {kg_ {co_2-eq}} {m^2} cdot 510.1 cdot 10^{12} m^2} cDot 100 % aprox 0.01 % $
La planta S2L es alrededor de 10 veces más eficiente en el área que el uso de espejos. Tenga en cuenta que los ahorros de emisión S2L representan los efectos que no son CO 2 . El número dado para las emisiones de la industria de la aviación representa solo CO 2 . La demanda del área real sería mayor si se incluyan emisiones que no son de CO 2 .
Los bosques almacenan entre 100 y 500 toneladas de carbono por hectárea (http://www.fao.org/3/y0900e/y0900e06.htm). Esto se traduce en 360-1800 T CO 2 absorbido por hectárea. Suponiendo que el límite inferior, el área necesaria para compensar un año de emisiones de aviación es:
Por lo tanto, la forestación es al menos 50 veces más eficiente en el área que el uso de espejos y al menos 5 veces más eficiente en el área que la planta S2L. Usando el valor de rango superior:
La forestación es como máximo 20 veces más eficiente en el área que la planta S2L.
Tanto la forestación como la producción de combustible utilizan energía solar son más eficientes en el área para prevenir el cambio climático que los espejos. Es probable que la forestación sea más eficiente en el área que S2L, lo que lo convierte en el escenario más efectivo.
