mirrors_prevent_climate_change
1.0.0
Untuk rumus yang diterjemahkan dengan benar, klik di sini: https: //nbviewer.jupyter.org/github/benportner/mirrors_prevent_climate_change/blob/master/mirrors_rf.html
Penulis: Benjamin W. Portner, Bauhaus Luftfahrt EV, Willy-Messerschmitt-Straße 1, 82024 Taufkirchen
Mengingat bahwa tanah adalah sumber daya yang terbatas, apa yang lebih efektif dalam menangani perubahan iklim: cermin bangunan yang memantulkan sinar matahari yang masuk atau membangun tanaman bahan bakar sintetis untuk menggantikan bahan bakar fosil?
Gambar milik NASA: Loeb et al., J. Clim 2009 & Trenberth et al, Bams 2009. Hosting Didukung oleh Wikipedia.
Mengutip Wikipedia (https://en.wikipedia.org/wiki/solar_constant): Jumlah energi matahari yang diterima oleh benda datar pada jarak satu unit astronomi (AU) dari Matahari didefinisikan sebagai konstanta matahari:
$ F_ {in} = sigma cdot dfrac { pi r_e^2} {4 pi r_e^2} kira -kira 340, frac {w} {m^2} $
Ini adalah jumlah berlabel "radiasi matahari yang masuk" dalam grafik di atas. Dari 340 W/m2, sekitar 30% dipantulkan kembali ke luar angkasa oleh atmosfer dan permukaan bumi. Nilai ini menyajikan albedo rata -rata bumi (permukaan atmopheric +). 23% lainnya dari radiasi yang masuk diserap oleh atmosfer dan ditanamkan kembali sebagai radiasi inframerah. Secara efektif, 186 b/m2 (55%) mencapai permukaan bumi (sebelum refleksi permukaan).
Permukaan rata -rata albedo adalah rasio radiasi yang dipantulkan terhadap radiasi yang masuk:
Dengan menggunakan cermin, nilai ini dapat ditingkatkan. Lebih banyak energi akan dipantulkan kembali ke luar angkasa, lebih sedikit energi akan diserap dan diubah menjadi radiasi inframerah. Dengan demikian, peningkatan albedo permukaan akan memiliki efek pendinginan pada iklim. Di bagian selanjutnya, saya akan mencoba mengukur efek ini.
Seperti yang dinyatakan sebelumnya, memasang cermin secara efektif berarti meningkatkan albedo permukaan bumi. Albedo adalah istilah yang agak tidak umum untuk menggambarkan efisiensi refleksi cahaya untuk cermin. Sebaliknya, istilah reflektifitas digunakan (meskipun definisi itu identik dengan albedo). Reflektivitas tergantung pada banyak faktor seperti panjang gelombang cahaya yang masuk, ketebalan material cermin, dan komposisi unsurnya.
Gambar milik Wikipedia: https://en.wikipedia.org/wiki/file:solar_spectrum_en.svg
Di atas grafik menunjukkan komposisi spektral sinar matahari, baik di bagian atas atmosfer (kuning) dan di permukaan bumi (merah). Jelas, sebagian besar energi di permukaan dibawa dalam spektrum yang terlihat dan dekat-inframerah. Jumlah yang lebih kecil termasuk dalam kisaran UV-A dan -B dan dalam kisaran IR-B. Cermin yang ideal tidak sensitif terhadap perbedaannya. Pada kenyataannya, cermin biasanya sensitif baik terhadap panjang gelombang pendek atau yang panjang. Aluminium misalnya "akan mencerminkan 85 hingga 90% dari cahaya dalam rentang yang terlihat hampir-ultraviolet, tetapi mengalami penurunan reflektansinya antara 800 dan 900 nm". Perak di sisi lain "dapat memantulkan hingga 98 atau 99% dari panjang gelombang ke gelombang selama 2000 nm, tetapi kehilangan hampir semua reflektifitas pada panjang gelombang lebih pendek dari 350 nm" (https://en.wikipedia.org/wiki/mirror#tolerances). Perak mungkin akan menjadi kandidat terbaik untuk cermin kami. Namun, aluminium adalah pilihan yang lebih mungkin untuk aplikasi skala besar karena alasan ekonomi. Mempertimbangkan ini, mari kita asumsikan reflektifitas
$ F_ {reflected} = f_ {permukaan} cdot epsilon_ {mirror} approx 93, frac {w} {m^2} $
Setelah refleksi dari cermin, radiasi akan kembali menyentuh atmosfer. Fluks energi yang meninggalkan Bumi ditentukan oleh transmisivitas atmosfer Bumi:
$ F_ {out} = f_ {reflected} cdot theta_ {atmosphere} $
Transmisivitas dapat diperkirakan dari grafik pertama. Dari radiasi matahari yang masuk, 23% diserap oleh atmosfer. Energi ini akan dipanaskan kembali sebagian ke permukaan bumi dan sebagian ke ruang angkasa. Untuk analisis ini, saya menganggap distribusi adalah 50:50. 23% lainnya dari radiasi matahari yang masuk dipantulkan kembali ke luar angkasa. Akibatnya, jumlah yang sama akan dipantulkan kembali ke bumi ketika datang dari sisi yang berlawanan. Sebagian kecil kemudian akan direfleksikan kembali oleh permukaan dan sebagainya. Jumlah ini diabaikan di sini. Semua radiasi yang dipantulkan diperlakukan sebagai tidak ditransmisikan. Dengan demikian:
$ theta_ {atmosfer} kira -kira 1 - 0,23 cdot 0,5 - 0,23 sekitar 0,66 $ $
Memasukkan hasil
$ F_ {out} = 61, frac {w} {m^2} $
Setelah memasang cermin, 61 W/m2 tercermin dari Bumi kembali ke luar angkasa. Sebelum pemasangan, 23 W/m2 tercermin karena albedo permukaan. Perbedaannya adalah perubahan keseimbangan energi bumi kita:
$ Delta f = 23, frac {w} {m^2} - 61, frac {w} {m^2} = -38, frac {w} {m^2} $
Area dalam penyebut mengacu pada area cermin. Paksaan radiasi biasanya diekspresikan mengacu pada area permukaan bumi. Paksaan radiasi (RF) dari bidang cermin adalah dengan demikian:
$ Rf = delta f cdot dfrac {a_ {mirror}} {a_ {earth}} apppol delta f cdot dfrac {a_ {mirror}} {510.1 cdot 10^6 km^2} $ $ $
CO2 adalah yang disebut Gas Rumah Kaca (GRK). GRK adalah pemancar yang baik dari radiasi panjang gelombang pendek dan merupakan peredam yang baik dari radiasi panjang gelombang panjang. Dengan demikian, mereka mengizinkan energi dalam bentuk sinar matahari untuk mencapai bumi dan mencegah radiasi panjang gelombang panjang melarikan diri ke ruang angkasa. Berkat efek ini, suhu permukaan rata -rata di Bumi berada pada suhu 14 ° C yang nyaman daripada beku -18 ° C jika tidak memiliki atmosfer (https://en.wikipedia.org/wiki/greenhouse_effect).
Jika konsentrasi GRK di atmosfer meningkat, demikian juga suhu bumi. Perubahan ini dapat diekspresikan secara setara sebagai peningkatan radiasi matahari yang masuk (dan dengan demikian keluar, dengan asumsi keseimbangan). Inilah yang oleh para ilmuwan menyebut pemaksaan radiasi
$ Rf, left [ dfrac {w} {m^2} kanan] = 5.35 ln kiri ( dfrac {c} {c_0} kanan) = 5.35 ln kiri ( dfac {c_0 + delta C} {c_)
Di mana
Sekarang, mari kita ungkapkan persamaan ini dalam hal massa daripada konsentrasi, untuk penanganan yang lebih mudah. Satu PPM-V dari CO 2 berkorespondensi secara kasar dengan 2,13 GT karbon (https://cdiac.ess-dive.lbl.gov/pns/faq.html). Dengan demikian:
$ Delta c, [ppm text {-} v] approx 2.13 delta m_ {c}, [gt] kira-kira 7.81 delta m_ {co_2}, [gt] $
Menyisipkan hasil:
$ Rf, left [ dfrac {w} {m^2} kanan] = 5.35 ln bigg (1 + 0.02, delta m_ {co_2} [gt] bigg) $
Mari kita gunakan apa yang kita ketahui untuk menjawab pertanyaan praktis: Area cermin apa yang diperlukan untuk mengkompensasi emisi CO 2 sektor penerbangan?
Emisi Aviation Co 2 pada tahun 2018 berjumlah 0,895 GT (https://www.atag.org/facts-figures.html). Namun, tidak semua CO 2 ini menambah pemaksaan radiasi. Bagian dari CO 2 yang dipancarkan diserap oleh lautan dan tanaman bumi. Di masa lalu, sekitar 45% dari CO 2 yang dipancarkan tetap berada di atmosfer, sedangkan 55% diserap (https://earthobservatory.nasa.gov/features/carboncycle/page5.php). Peningkatan CO 2 atmosfer adalah dengan demikian:
$ Delta m_ {co_2} kira -kira 0,45 cdot 0,895, gt kira -kira 0,4, gt $
Jumlah pemaksaan radiasi yang sesuai untuk:
$ Rf_ {penerbangan} = 0.04, dfrac {w} {m^2} $
Sekarang, berapa banyak area cermin yang diperlukan untuk mengkompensasi RF ini? Mengekspresikan area dalam persentase permukaan bumi:
$ dfrac {a_ {mirror}} {a_ {earth}} = - dfrac {rf_ {aviation}} { delta f_ {mirror}} cdot 100 % kira -kira 0,1 % $
Dengan menutupi 0,1% dari permukaan bumi (sekitar 54 Mio Km 2 ) dengan cermin, orang dapat mengkompensasi emisi CO 2 industri penerbangan tahun 2018 (tidak memperhitungkan efek non-Co 2 ). Perhatikan bahwa hasilnya sebenarnya adalah tarif. Setiap tahun, lebih banyak CO 2 dipancarkan dan lebih banyak cermin perlu dibangun.
Horizon 2020 Project Sun-to-Liquid (S2L) mengusulkan jalan untuk menghasilkan bahan bakar jet dari atmosfer CO 2 menggunakan energi dari sinar matahari terkonsentrasi. Rantai dari CO 2 yang ditangkap ke bahan bakar panjang dan setiap langkah menambah kerugian teknis dan persyaratan material. Dengan demikian, muncul pertanyaan: apakah layak untuk menghasilkan bahan bakar atau apakah akan lebih efisien untuk hanya mencerminkan radiasi matahari kembali ke ruang angkasa menggunakan cermin yang sama?
Tidak ada pembangkit industri saat ini, jadi perkiraan saya didasarkan pada perhitungan Christoph untuk desain yang ditingkatkan. Pabrik menghasilkan 30.300 liter bahan bakar per hektar dan tahun. Emisi GRK siklus hidup bahan bakar yang diproduksi (well-to-nake) berjumlah 0,6 kg CO 2 -equivalents per liter yang dibakar. Bahan bakar jet fosil menghasilkan sekitar 2,9 kg CO 2 -equivalents per liter sepanjang siklus hidupnya. Total penghematan emisi per hektar selama satu tahun adalah:
$ Delta m_ {s2l} = 30300, dfrac {l} {ha} cdot left (2.9-0.6 kanan) dfrac {kg_ {co_2-eq}} {l} approx 7.0, dfrac {kg_ {l {l} sekitar 7.0, dfrac {kg {{{{{l {l {l {lfrac {{dfrac {{dfrac {{dfrac {{dfrac {{dfrac {l {l {l {l {lfrac {lfrac {{dfrac {{dFRAC {{dFRAC {{dFRAC {dFRAC {dFRAC {dFRAC {dFRAC {dFRAC {dFRAC {
Area mana yang diperlukan untuk mengkompensasi emisi penerbangan untuk tahun 2018?
$ dfrac{ A_{S2L} }{ A_{earth} } = dfrac{ Delta m_{CO_2}}{ Delta m_{S2L} cdot A_{earth} } cdot 100% approx - dfrac{ 400 cdot 10^9 kg_{CO_2} } {7.0, frac {kg_ {co_2-eq}} {m^2} cdot 510.1 cdot 10^{12} m^2} cdot 100 % kira-kira 0,01 % $
Pabrik S2L sekitar 10 kali lebih efisien area daripada menggunakan cermin. Perhatikan bahwa akun tabungan emisi S2L untuk efek non-co 2 . Jumlah yang diberikan untuk emisi industri penerbangan hanya menyumbang CO 2 . Permintaan area nyata akan lebih tinggi jika emisi non-CO 2 dimasukkan.
Hutan menyimpan antara 100 dan 500 ton karbon per hektar (http://www.fao.org/3/y0900e/y0900e06.htm). Ini diterjemahkan menjadi 360-1800 T CO 2 diserap per hektar. Dengan asumsi batas bawah, area yang diperlukan untuk mengkompensasi emisi penerbangan satu tahun adalah:
Dengan demikian, penghijauan setidaknya 50 kali lebih efisien area daripada menggunakan cermin dan setidaknya 5 kali lebih efisien area daripada tanaman S2L. Menggunakan nilai kisaran atas:
Afforestation paling banyak 20 kali lebih efisien area daripada pabrik S2L.
Baik penghijauan dan produksi bahan bakar menggunakan energi matahari lebih efisien dalam mencegah perubahan iklim daripada cermin. Afforestation cenderung lebih efisien area daripada S2L, menjadikannya skenario yang paling efektif.
