mirrors_prevent_climate_change
1.0.0
適切にレンダリングされた式の場合は、https：//nbviewer.jupyter.org/github/benportner/mirrors_prevent_climate_change/blob/master/mirrors_rf.htmlをクリックしてください
著者：ベンジャミン・W・ポートナー、バウハウス・ルフトファー・EV、ウィリー・メッサースシュミット・ストラチェ1、82024 taufkirchen
土地が限られた資源であることを考えると、気候変動への取り組みにおいてより効果的なことは何ですか：入ってくる太陽光を反映したり、化石燃料を置き換える合成燃料植物を建設する鏡を建設しますか？
NASAの厚意により画像：Loeb et al。、J。Cirmy2009＆Trenberth et al、Bams2009。Wikipediaが搭載したホスティング。
Wikipedia（https://en.wikipedia.org/wiki/solar_constant）を引用：太陽からの1つの天文ユニット（au）の距離（au）の距離にある平らなオブジェクトが受け取る太陽エネルギーの量は、太陽定数として定義されます。
$ f_ {in} = sigma cdot dfrac { pi r_e^2} {4 pi r_e^2} comprx 340、 frac {w} {m^2} $ $
これは、上記のグラフィックに「着信太陽放射」とラベル付けされた量です。 340 w/m2のうち、約30％が大気と地球の表面によって宇宙に反射されます。この値は、地球の平均アルベド（Atmspheric + Surface）を示しています。入ってくる放射のさらに23％は大気に吸収され、赤外線として再放出されます。事実上、186 w/m2（55％）は地球の表面に到達します（表面反射の前）。
平均表面アルベドは、反射放射線と着信放射線の比率です。
ミラーを使用することにより、この値を増やすことができます。より多くのエネルギーが宇宙に反射され、より少ないエネルギーが吸収され、赤外線に変わります。したがって、表面アルベドを増やすと、気候に冷却効果があります。次のセクションでは、この効果を定量化しようとします。
前に述べたように、ミラーを効果的に取り付けることは、地球表面のアルベドを増やすことを意味します。アルベドは、鏡の光反射の効率を説明するかなり珍しい用語です。代わりに、反射率という用語が使用されます（ただし、定義はアルベドの定義と同一です）。反射率は、入ってくる光の波長、鏡の材料の厚さ、その元素組成など、多くの要因に依存します。
画像提供：wikipedia：https：//en.wikipedia.org/wiki/file:solar_spectrum_en.svg
上のグラフィックは、大気の上部（黄色）と地球の表面（赤）の両方で、日光のスペクトル組成を示しています。明らかに、表面のエネルギーのほとんどは、可視および近赤外スペクトルに運ばれます。より少ない量は、UV-Aおよび-Bの範囲とIR-B範囲に低下します。理想的な鏡は違いに鈍感です。実際には、ミラーは通常、短い波長または長い波長に敏感です。たとえば、アルミニウムは「目に見える光の85〜90％の光の範囲を反映しますが、800〜900 nmの反射率が低下します」。一方、銀は2000 nmに長い間、最大98または99％の光から波長を反映できますが、350 nmより短い波長でほぼすべての反射率を失います（https://en.wikipedia.org/wiki/mirror#tolerances）。シルバーはおそらく私たちの鏡の最良の候補者でしょう。ただし、アルミニウムは、経済的な理由で大規模なアプリケーションの選択肢です。これを考慮して、反射率を想定しましょう
$ f_ {riffected} = f_ {surface} cdot epsilon_ {mirror} compx 93、 frac {w} {m^2} $
鏡からの反射の後、放射線は再び大気に当たります。地球を離れるエネルギーフラックスは、地球の大気の伝染性によって定義されます。
$ f_ {out} = f_ {riffected} cdot theta_ {atmosphere} $
透過率は、最初のグラフィックから近似できます。入ってくる太陽放射のうち、23％が大気に吸収されました。このエネルギーは、部分的に地球の表面に再放出され、部分的に宇宙に再放出されます。この分析では、分布が50:50であると仮定します。入ってくる太陽放射のさらに23％が宇宙に反映されました。したがって、反対側から来ると同じ量が地球に反映されます。その後、小さな部分は表面などによって再分割されます。この金額はここで無視されています。反射された放射線はすべて、送信されていないと扱われます。したがって：
$ theta_ {Atmosphere} Amprox 1-0.23 cdot 0.5-0.23 compx 0.66 $
利回りを挿入します
$ f_ {out} = 61、 frac {w} {m^2} $
ミラーを取り付けた後、61 w/m2が地球から宇宙に反射されます。設置前に、表面アルベドのために23 w/m2が反射されました。違いは、地球のエネルギーバランスの変化です。
$ delta f = 23、 frac {w} {m^2} -61、 frac {w} {m^2} = -38、 frac {w} {m^2} $
分母の領域は、鏡の領域を指します。放射強制は通常、地球の表面積に関連して表されます。したがって、ミラーのフィールドの放射強制（RF）は次のとおりです。
$ rf = delta f cdot dfrac {a_ {mirror}} {a_ {earth}} delta f cdot dfrac {a_ {mirror}} {510.1 cdot 10^6 km^2}}
CO2は、いわゆる温室効果ガス（GHG）です。 GHGは、短い波長の放射線の良好な送信機であり、長波長の放射線の良好な吸収体です。したがって、彼らは日光の形でエネルギーを可能にして地球に到達し、長波長の放射線が宇宙に逃げるのを防ぎます。この効果のおかげで、大気がない場合、地球上の平均表面温度は-18°Cではなく居心地の良い14°Cです（https://en.wikipedia.org/wiki/greenhouse_effect）。
大気中のGHGの濃度が増加すると、地球の温度も増加します。この変化は、均衡を想定している（したがって、均衡を想定する）太陽放射の増加として同等に表現できます。これは、科学者が放射強制と呼ぶものです
$ rf、 left [ dfrac {w} {m^2} right] = 5.35 ln left（ dfrac {c} {c_0} right）= 5.35 ln left（ dfrac {c_0 + delta c} {c_0} right} right}
どこ
次に、取り扱いを容易にするために、この方程式を集中ではなく質量の観点から表現しましょう。 Co 2の1つのppm-Vは、炭素の約2.13 gt（https://cdiac.ess-dive.lbl.gov/pns/faq.html）に相当します。したがって：
$ delta c、[ppm text { - } v] compx 2.13 delta m_ {c}、[gt] amptx 7.81 delta m_ {co_2}、[gt] $ $
利回りを挿入する：
$ rf、 left [ dfrac {w} {m^2} right] = 5.35 ln bigg（1 + 0.02、 delta m_ {co_2} [gt] bigg）$
実際の質問に答えるために私たちが知っていることを使ってみましょう。航空セクターのCo 2排出量を補うために必要なミラーエリアは何ですか？
2018年のAviation Co 2排出量は0.895 GT（https://www.atag.org/facts-figures.html）でした。ただし、このCO 2のすべてが放射強制力を追加するわけではありません。放出されたCo 2の一部は、地球の海と植物に吸収されます。過去には、放出されたCO 2の約45％が大気中に留まりましたが、55％は吸収されました（https://earthobservatory.nasa.gov/features/carboncycle/page5.php）。このように、大気中のCO2の増加は次のとおりでした。
$ delta m_ {co_2} compx 0.45 cdot 0.895、gt amprox 0.4、gt $
対応する放射強制量は次のとおりです。
$ rf_ {aviation} = 0.04、 dfrac {w} {m^2} $
さて、このRFを補償するために必要なミラーエリアの量はどれくらいですか？地球の表面の割合でエリアを表現する：
$ dfrac {a_ {mirror}} {a_ {earth}} = - dfrac {rf_ {aviation}} { delta f_ {mirror}} cdot 100％約0.1％$ $ $ $ $
地球の表面の0.1％（約54 Mio. km 2 ）をミラーでカバーすることにより、2018年の航空業界のCo 2排出量を補償することができます（非Co 2効果を考慮していません）。結果は実際にはレートであることに注意してください。毎年、より多くのCo 2が放出され、より多くのミラーを構築する必要があります。
Horizon 2020 Project Sun-to-Luquid（S2L）は、濃縮日光からのエネルギーを使用して、大気CO 2からジェット燃料を生産する道を提案しています。 Captured Co 2から燃料までのチェーンは長く、各ステップは技術的な損失と材料要件に追加されます。したがって、疑問が生じます。燃料を生産するのにずっと行く価値がありますか、それとも同じミラーを使用して太陽放射を宇宙に戻すだけで効率的ですか？
産業植物は今まで存在しないため、私の推定値は、拡大された設計のためのクリストフの計算に基づいています。この植物は、ヘクタールあたり30,300リットルの燃料を生産しています。生産された燃料のライフサイクルGHG排出量（裕福な）は、1リットルあたり0.6 kgのCO 2等価物になります。化石ジェット燃料は、ライフサイクルを通じて1リットルあたり約2.9 kgのCO 2等価を生産しています。 1年間のヘクタールあたりの総排出節は次のとおりです。
$ delta m_ {s2l} = 30300、 dfrac {l} {ha} cdot left（2.9-0.6 right） dfrac {kg_ {co_2-eq}} {l} dfrac {m^2-eq}}
2018年の航空の排出を補償するために必要な地域は何ですか？
$ dfrac {a_ {s2l}} {a_ {earth}} = dfrac { delta m_ {co_2}} { delta m_ {s2l} cdot a_ {earth}}} cdot 100％ kg_ {co_2}} {7.0、 frac {kg_ {co_2-eq}} {m^2} cdot 510.1 cdot 10^{12} m^2} cdot 100％約0.01％$ $ $ $ $
S2Lプラントは、ミラーを使用するよりも約10倍の面積効率が高くなっています。 S2L排出貯蓄は、非Co 2効果を考慮していることに注意してください。航空業界の排出量に与えられた数は、Co 2のみを占めています。非CO 2排出量が含まれている場合、実際の面積需要は高くなります。
森林は1ヘクタールあたり100〜500トンの炭素を保存します（http://www.fao.org/3/y0900e/y0900e06.htm）。これは、1ヘクタールあたり吸収された360-1800 T CO 2に変換されます。下限を仮定すると、航空排出量の1年を補償するために必要な地域は次のとおりです。
したがって、植林は、ミラーを使用するよりも少なくとも50倍の面積効率が高く、S2Lプラントの少なくとも5倍の面積効率です。上位範囲値の使用：
植林は、S2Lプラントの最大20倍の面積効率です。
太陽エネルギーを使用した植林と燃料生産の両方は、鏡よりも気候変動を防ぐのが面積効率が高い。植林はS2Lよりも面積効率が高い可能性が高く、最も効果的なシナリオになっています。
