mirrors_prevent_climate_change
1.0.0
Pour des formules correctement rendues, cliquez ici: https: //nbviewer.jupyter.org/github/benportner/mirrors_prevent_climate_change/blob/master/mirrors_rf.html
Auteur: Benjamin W. Portner, Bauhaus Luftfahrt EV, Willy-Messerschmitt-Sstraße 1, 82024 Taufkirchen
Étant donné que la terre est une ressource limitée, qu'est-ce qui est plus efficace pour lutter contre le changement climatique: la construction de miroirs qui reflètent la lumière solaire entrante ou la construction d'une centrale à carburant synthétique pour remplacer les combustibles fossiles?
Image gracieuseté de la NASA: Loeb et al., J. Clim 2009 et Trenberth et al, Bams 2009. Hébergement alimenté par Wikipedia.
Citant Wikipedia (https://en.wikipedia.org/wiki/Solar_Constant): La quantité d'énergie solaire reçue par un objet plat à une distance d'une unité astronomique (AU) du soleil est définie comme la constante solaire:
$ F_ {in} = sigma cdot dfrac { pi r_e ^ 2} {4 pi r_e ^ 2} approx 340, frac {w} {m ^ 2} $
Il s'agit de la quantité étiquetée "rayonnement solaire entrant" dans le graphique ci-dessus. Sur les 340 W / m2, environ 30% sont reflétés dans l'espace par l'atmosphère et la surface de la Terre. Cette valeur présente l'albédo moyen de la Terre (surface AtmSopheric + surface). 23% supplémentaires des rayonnements entrants sont absorbés par l'atmosphère et réémis comme rayonnement infrarouge. En effet, 186 W / m2 (55%) atteignent la surface de la terre (avant réflexion de la surface).
L'albédo de surface moyen est le rapport du rayonnement réfléchi et le rayonnement entrant:
En utilisant des miroirs, cette valeur peut être augmentée. Plus d'énergie serait reflétée dans l'espace, moins d'énergie serait absorbée et transformée en rayonnement infrarouge. Ainsi, l'augmentation de l'albédo de surface aurait un effet de refroidissement sur le climat. Dans la section suivante, je vais essayer de quantifier cet effet.
Comme indiqué précédemment, l'installation de miroirs signifie efficacement augmenter l'albédo de la surface de la terre. L'albédo est un terme assez rare pour décrire l'efficacité de la réflexion de la lumière pour les miroirs. Au lieu de cela, le terme réflectivité est utilisé (bien que sa définition soit identique à celle de l'albédo). La réflectivité dépend de nombreux facteurs tels que la longueur d'onde de la lumière entrante, l'épaisseur du matériau miroir et sa composition élémentaire.
Image gracieuseté de Wikipedia: https://en.wikipedia.org/wiki/file:solar_spectrum_en.svg
Le graphique ci-dessus montre la composition spectrale de la lumière du soleil, à la fois au sommet de l'atmosphère (jaune) et à la surface de la Terre (rouge). De toute évidence, la majeure partie de l'énergie à la surface est transportée dans le spectre visible et proche infrarouge. Des quantités plus petites tombent dans la gamme UV-A et -B et dans la plage IR-B. Un miroir idéal serait insensible à la différence. En réalité, les miroirs sont généralement sensibles à de courtes longueurs d'onde ou à des longues. L'aluminium par exemple "reflétera 85 à 90% de la lumière dans la gamme visible à presque ultraviolet, mais subit une baisse de sa réflectance entre 800 et 900 nm". L'argent en revanche "peut refléter jusqu'à 98 ou 99% de la lumière à des longueurs d'onde jusqu'à 2000 nm, mais perd presque toute réflectivité à des longueurs d'onde moins de 350 nm" (https://en.wikipedia.org/wiki/Mirror#tolerances). L'argent serait probablement le meilleur candidat pour nos miroirs. Cependant, l'aluminium est le choix le plus probable pour une application à grande échelle pour des raisons économiques. Compte tenu de cela, supposons une réflectivité
$ F_ {reflété} = f_ {surface} cdot epsilon_ {miroir} environ 93, frac {w} {m ^ 2} $
Après la réflexion du miroir, le rayonnement frappera à nouveau l'atmosphère. Le flux d'énergie quittant la Terre est défini par la transmissivité de l'atmosphère terrestre:
$ F_ {out} = f_ {reflété} cdot theta_ {atmosphère} $
La transmissivité peut être approximée du premier graphique. Parmi le rayonnement solaire entrant, 23% ont été absorbés par l'atmosphère. Cette énergie sera réémitée en partie à la surface de la Terre et en partie à l'espace. Pour cette analyse, je suppose que la distribution est de 50:50. 23% supplémentaires du rayonnement solaire entrant ont été reflétés dans l'espace. Par conséquent, le même montant sera reflété sur la Terre lorsqu'il vient du côté opposé. Une petite pièce sera ensuite ré-réfléchie par la surface et ainsi de suite. Ce montant est négligé ici. Tous les rayonnements réfléchis sont traités comme non transmis. Ainsi:
$ theta_ {atmosphère} environ 1 - 0,23 cdot 0,5 - 0,23 environ 0,66 $
Insérer les rendements
$ F_ {out} = 61, frac {w} {m ^ 2} $
Après avoir installé le miroir, 61 W / m2 sont réfléchis de la terre à l'espace. Avant l'installation, 23 W / m2 ont été réfléchis en raison de l'albédo de surface. La différence est le changement dans le bilan énergétique de notre Terre:
$ Delta f = 23, frac {w} {m ^ 2} - 61, frac {w} {m ^ 2} = -38, frac {w} {m ^ 2} $
La zone du dénominateur se réfère à la zone du miroir. Le forçage radiatif est généralement exprimé en référence à la surface de la Terre. Le forçage radiatif (RF) d'un champ de miroirs est donc:
$ Rf = delta f cdot dfrac {a_ {Mirror}} {a_ {Earth}} approx delta f cdot dfrac {a_ {Mirror}} {510.1 cdot 10 ^ 6 km ^ 2} $
Le CO2 est un soi-disant gaz à effet de serre (GES). Les GES sont de bons émetteurs de rayonnement de courtes longueurs d'onde et sont de bons absorbeurs de rayonnement de longues longueurs d'onde. Ainsi, ils permettent d'énergie sous forme de lumière solaire pour atteindre la Terre et ils empêchent les rayonnements à longue longueur d'onde de s'échapper dans l'espace. Grâce à cet effet, la température de surface moyenne sur Terre est à 14 ° C confortable plutôt que de congélation -18 ° C si elle n'avait pas d'atmosphère (https://en.wikipedia.org/wiki/Greenhouse_effecte).
Si la concentration de GES dans l'atmosphère augmente, la température de la Terre sera également. Ce changement peut être équivalencement exprimé comme une augmentation du rayonnement solaire entrant (et donc sortant, supposant l'équilibre). C'est ce que les scientifiques appellent le forçage radiatif
$ Rf, Left [ dfrac {w} {m ^ 2} droite] = 5.35 ln Left ( dfrac {c} {c_0} droite) = 5.35 ln Left ( dfrac {c_0 + delta c} {c_0} droite) $)
Où
Maintenant, exprimons cette équation en termes de masse plutôt que de concentration, pour une manipulation plus facile. Un PPM-V de Co 2 correspond à peu près à 2,13 GT de carbone (https://cdiac.ess-dive.lbl.gov/pns/faq.html). Ainsi:
$ Delta c, [ppm text {-} v] approx 2,13 delta m_ {c}, [gt] approx 7.81 delta m_ {co_2}, [gt] $
Insertion des rendements:
$ Rf, gauche [ dfrac {w} {m ^ 2} droite] = 5,35 ln bigg (1 + 0,02, delta m_ {co_2} [gt] bigg) $
Utilisons ce que nous savons pour répondre à une question pratique: quelle zone miroir serait nécessaire pour compenser les émissions du CO 2 du secteur de l'aviation?
Les émissions de l'aviation Co 2 en 2018 s'élevaient à 0,895 GT (https://www.atag.org/facts-figures.html). Cependant, tout cela ne s'ajoute pas au forçage radiatif. Une partie du CO 2 émis est absorbée par les océans et les plantes de la Terre. Dans le passé, environ 45% des CO 2 émises sont restés dans l'atmosphère, tandis que 55% ont été absorbés (https://earthobservatory.nasa.gov/features/carboncycle/page5.php). L'augmentation atmosphérique du CO 2 était ainsi:
$ Delta m_ {co_2} environ 0,45 cdot 0,895, gt environ 0,4, gt $
Le forçage radiatif correspondant équivaut à:
$ Rf_ {Aviation} = 0,04, dfrac {w} {m ^ 2} $
Maintenant, quelle zone de miroir est nécessaire pour compenser ce RF? Exprimant la zone en pourcentage de la surface de la Terre:
$ dfrac {a_ {Mirror}} {a_ {Earth}} = - dfrac {rf_ {Aviation}} { delta f_ {Mirror}} cdot 100% approx 0,1% $
En couvrant 0,1% de la surface de la Terre (environ 54 mio. km 2 ) avec des miroirs, on pourrait compenser les émissions de CO 2 de l'industrie aéronautique de l'année 2018 (ne prenant pas en compte les effets non-Co 2 ). Notez que le résultat est en fait un taux. Chaque année, plus de CO 2 est émis et plus de miroirs devraient être construits.
Horizon 2020 Project Sun-to-liquide (S2L) propose un chemin pour produire du carburant à jet à partir de l'atmosphérique CO 2 en utilisant l'énergie à partir de la lumière du soleil concentrée. La chaîne du CO 2 capturé en carburant est longue et chaque étape ajoute aux pertes techniques et aux exigences matérielles. Ainsi, la question se pose: cela vaut-il la peine d'aller jusqu'à la production de carburant ou serait-il plus efficace de simplement refléter le rayonnement solaire dans l'espace en utilisant les mêmes miroirs?
Aucune usine industrielle n'existe à ce jour, donc mes estimations sont basées sur le calcul de Christoph pour une conception à l'échelle. L'usine produit 30 300 litres de carburant par hectare et l'année. Les émissions de GES du cycle de vie du carburant produit (aisé) s'élèvent à 0,6 kg de CO 2 - équivalents par litre. Le carburant à jet fossile produit environ 2,9 kg de CO 2 - équivalents par litre tout au long de son cycle de vie. L'économie totale des émissions par hectare pour un an est alors:
$ Delta m_ {s2l} = 30300, dfrac {l} {ha} cdot Left (2.9 - 0.6 right) dfrac {kg_ {co_2-eq}} {l} approx 7.0, dfrac {kg_ {co_2-eq}} {m ^ 2} $
Quelle zone serait nécessaire pour compenser les émissions de l'aviation pour l'année 2018?
$ dfrac {a_ {s2l}} {a_ {terre}} = dfrac { delta m_ {co_2}} { delta m_ {s2l} cdot a_ {Earth}} cdot 100% approx - dfrac {400 cdot 10 ^ 9 frac {kg_ {co_2-eq}} {m ^ 2} cdot 510.1 cdot 10 ^ {12} m ^ 2} cdot 100% environ 0,01% $
L'usine S2L est environ 10 fois plus économe en zone que l'utilisation de miroirs. Notez que les économies d'émission S2L représentent des effets non-Co 2 . Le nombre donné pour les émissions de l'industrie aéronautique ne représente que le CO 2 uniquement. La demande réelle de la zone serait plus élevée si les émissions non-Co 2 étaient incluses.
Les forêts stockent entre 100 et 500 tonnes de carbone par hectare (http://www.fao.org/3/y0900e/y0900e06.htm). Cela se traduit par 360-1800 T CO 2 absorbé par hectare. En supposant la limite inférieure, la zone nécessaire pour compenser un an d'émissions d'aviation est:
Ainsi, le boisement est au moins 50 fois plus économe en zone que l'utilisation de miroirs et au moins 5 fois plus économe en zone que la plante S2L. Utilisation de la valeur de la plage supérieure:
Le boisement est au plus 20 fois plus économe en zone que la plante S2L.
Le boisement et la production de carburant utilisant l'énergie solaire sont plus économes en zone pour prévenir le changement climatique que les miroirs. Le boisement est susceptible d'être plus économe en zone que S2L, ce qui en fait le scénario le plus efficace.
