mirrors_prevent_climate_change
1.0.0
적절하게 렌더링 된 공식을 보려면 여기를 클릭하십시오 : https : //nbviewer.jupyter.org/github/benportner/mirrors_prevent_climate_change/blob/master/mirrors_rf.html
저자 : Benjamin W. Portner, Bauhaus Luftfahrt EV, Willy-Messerschmitt-Straße 1, 82024 Taufkirchen
토지가 제한된 자원이라는 점을 감안할 때, 기후 변화를 해결하는 데 더 효과적인 것은 무엇입니까 : 들어오는 태양 라이트를 반영하거나 화석 연료를 대체 할 합성 연료 공장을 건설하는 거울은?
NASA의 이미지 제공 : Loeb et al., J. Clim 2009 & Trenberth et al, Bams 2009. Wikipedia에 의해 구동되는 호스팅.
Wikipedia (https://en.wikipedia.org/wiki/solar_constant) : 태양으로부터 하나의 천문 단위 (Au)의 거리에서 평평한 물체가받은 태양 에너지의 양은 태양 상수로 정의됩니다.
$ f_ {in} = sigma cdot dfrac { pi r_e^2} {4 pi r_e^2} 대략 340, frac {m^2} $
이것은 위의 그래픽에서 "들어오는 태양 복사"라고 표시된 양입니다. 340 w/m2 중 약 30%가 대기와 지구 표면에 의해 우주로 다시 반사됩니다. 이 값은 지구의 평균 알베도 (Atmsopheric + 표면)를 나타냅니다. 들어오는 방사선의 또 다른 23%가 대기에 의해 흡수되고 적외선 방사선으로 재 방출됩니다. 효과적으로, 186 w/m2 (55%)는 지구 표면에 도달합니다 (표면 반사 전).
평균 표면 알베도는 반사 방사선과 들어오는 방사선의 비율입니다.
거울을 사용하면이 값이 증가 할 수 있습니다. 더 많은 에너지가 우주로 다시 반사 될 것이며, 더 적은 에너지가 흡수되어 적외선으로 변할 것입니다. 따라서 표면 알베도가 증가하면 기후에 냉각 효과가 있습니다. 다음 섹션에서는이 효과를 정량화하려고합니다.
앞에서 언급했듯이 거울을 효과적으로 설치하면 지구 표면의 알베도가 증가하는 것을 의미합니다. 알베도는 거울에 대한 빛의 반사 효율을 설명하는 다소 드문 용어입니다. 대신, 반사성이라는 용어는 사용됩니다 (정의는 알베도의 정의와 동일하지만). 반사율은 들어오는 빛의 파장, 거울 재료 두께 및 원소 구성과 같은 많은 요인에 의존합니다.
Wikipedia의 이미지 제공 : https://en.wikipedia.org/wiki/file:solar_spectrum_en.svg
위의 그래픽은 대기 상단 (노란색)과 지구 표면 (빨간색) 모두에서 햇빛의 스펙트럼 구성을 보여줍니다. 분명히, 표면의 대부분의 에너지는 가시적 및 근적외선 스펙트럼에서 운반된다. 더 적은 양은 UV-A 및 -B 범위와 IR-B 범위에서 떨어집니다. 이상적인 거울은 그 차이에 둔감합니다. 실제로, 거울은 일반적으로 짧은 파장이나 긴 파장에 민감합니다. 예를 들어, 알루미늄은 "무트라 비올 (Ultraviole) 근처의 가시 광선에서 조명의 85 ~ 90%를 반영하지만 800 ~ 900 nm 사이의 반사율이 감소합니다". 반면 에은은 "2000 nm까지의 파장에 대한 98 또는 99%의 파장을 반영 할 수 있지만, 350 nm보다 짧은 파장에서 거의 모든 반사율을 잃습니다"(https://en.wikipedia.org/wiki/mirror#tolerances). 은은 아마도 우리의 거울에 가장 적합한 후보자 일 것입니다. 그러나 알루미늄은 경제적 인 이유로 대규모 적용을위한 가능성이 더 높습니다. 이것을 고려할 때, 반사율을 가정 해 봅시다
$ f_ {반사} = f_ {표면} cdot epsilon_ {mirror} 대략 93, frac {w} {m^2} $
거울로부터의 반사 후, 방사선은 다시 대기에 부딪칩니다. 지구를 떠나는 에너지 플럭스는 지구 대기의 전이성에 의해 정의됩니다.
$ f_ {out} = f_ {반사} cdot theta_ {대기} $
트랜스 미축성은 첫 번째 그래픽에서 근사화 될 수 있습니다. 들어오는 태양 방사선 중 23%가 대기에 흡수되었습니다. 이 에너지는 부분적으로 지구 표면과 부분적으로 우주로 다시 방출됩니다. 이 분석에서는 분포가 50:50이라고 가정합니다. 들어오는 태양 복사의 또 다른 23%가 우주로 다시 반사되었습니다. 결과적으로, 반대쪽에서 나올 때 같은 양이 지구에 다시 반사됩니다. 그런 다음 작은 부분이 표면 등에 의해 재 분쇄됩니다. 이 금액은 여기에서 무시됩니다. 반사 된 모든 방사선은 전송되지 않은 것으로 처리됩니다. 따라서:
$ theta_ {대기} 대략 1-0.23 cdot 0.5-0.23 약 0.66 $
수율 삽입
$ f_ {out} = 61, frac {w} {m^2} $
거울을 설치 한 후 61 w/m2가 지구에서 우주로 반사됩니다. 설치하기 전에 표면 알베도로 인해 23 w/m2가 반사되었습니다. 차이점은 지구의 에너지 균형의 변화입니다.
$ delta f = 23, frac {w} {m^2} -61, frac {w} {m^2} = -38, frac {w} {m^2} $
분모 영역은 거울의 영역을 의미합니다. 복사 강제력은 일반적으로 지구의 표면적과 관련하여 표현됩니다. 따라서 거울 필드의 복사 강제 (RF)는 다음과 같습니다.
$ rf = delta f cdot dfrac {a_ {mirror}} {a_ {earth}} 대략 delta f cdot dfrac {a_ {mirror}} {510.1 cdot 10^6 km^2} $
CO2는 소위 온실 가스 (GHG)입니다. GHG는 짧은 파장의 방사선의 우수한 송신기이며 긴 파장의 방사선의 우수한 흡수기입니다. 따라서, 그들은 태양 광 형태의 에너지가 지구에 도달하도록 허용하고 장 파장 방사선이 우주로 탈출하는 것을 방지합니다. 이 효과 덕분에 지구상의 평균 표면 온도는 대기가없는 경우 -18 ° C가 아닌 아늑한 14 ° C입니다 (https://en.wikipedia.org/wiki/greenhouse_effect).
대기 중 GHG의 농도가 증가하면 지구의 온도도 증가합니다. 이 변화는 태양 복사의 들어오는 수신 (따라서 나가는)의 증가로 동등하게 표현 될 수있다. 이것이 과학자들이 복사 강제력이라고 부르는 것입니다
$ 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}}}} $).
어디
이제이 방정식을 집중보다는 질량 측면에서 더 쉽게 처리 할 수 있도록 표현합시다. CO 2 의 하나의 PPM-V는 대략 2.13 gt의 탄소에 해당합니다 (https://cdiac.ess-dive.lbl.gov/pns/faq.html). 따라서:
$ delta c, [ppm text {-} v] 약 2.13 delta m_ {c}, [gt] 약 7.81 delta m_ {co_2}, [gt] $
수율 삽입 :
$ rf, left [ dfrac {w} {m^2} right] = 5.35 ln bigg (1 + 0.02, delta m_ {co_2} [gt] bigg) $
실용적인 질문에 대답하기 위해 우리가 알고있는 것을 사용합시다. 항공 부문의 CO 2 배출을 보상하기 위해 어떤 거울 영역이 필요합니까?
2018 년 Aviation Co 2 배출량은 0.895 gt (https://www.atag.org/facts-figures.html)에 달했습니다. 그러나이 CO 2가 모두 복사 강제력을 더하는 것은 아닙니다. 방출 된 CO 2 의 일부는 지구의 바다와 식물에 흡수됩니다. 과거에는 방출 된 CO 2 의 약 45%가 대기에 머물렀고 55%는 흡수되었습니다 (https://earthobservatory.nasa.gov/features/carboncycle/page5.php). 대기 CO 2 증가는 다음과 같습니다.
$ delta m_ {co_2} 약 0.45 CDOT 0.895, GT 약 0.4, GT $
해당 방사성 강제력은 다음과 같은 금액입니다.
$ rf_ {aviation} = 0.04, dfrac {w} {m^2} $
이제이 RF를 보상하기 위해 얼마나 많은 거울 영역이 필요합니까? 지구 표면의 퍼센트로 영역을 표현 :
$ dfrac {a_ {mirror}} {a_ {earth}} = - dfrac {rafiation}} { delta f_ {mirror}} cdot 100 % 약 0.1 % $
거울로 지구 표면의 0.1% (약 54 Mio. KM 2 )를 커버함으로써 2018 년 항공 산업의 CO 2 배출량을 보상 할 수 있습니다 (비 CO 2 효과를 고려하지 않음). 결과는 실제로 요금입니다. 매년 더 많은 CO 2가 방출되고 더 많은 거울을 건설해야합니다.
Horizon 2020 Project Sun-to-Liquid (S2L)는 농축 된 햇빛의 에너지를 사용하여 대기 CO 2 에서 제트 연료를 생산하는 경로를 제안합니다. 캡처 된 CO 2 에서 연료까지의 체인은 길고 각 단계는 기술적 손실 및 재료 요구 사항에 추가됩니다. 따라서 의문이 발생합니다. 연료를 생산하는 데 최선을 다할 가치가 있습니까?
일 중에는 산업 공장이 존재하지 않으므로 내 추정치는 축소 설계에 대한 Christoph의 계산을 기반으로합니다. 이 공장은 헥타르와 연도 당 30,300 리터의 연료를 생산합니다. 생산 된 연료의 수명주기 GHG 배출량 (웰링)은 리터당 0.6kg CO 2 등가를 태웠다. 화석 제트 연료는 수명주기 동안 리터당 약 2.9kg CO 2 등가를 생성합니다. 1 년 동안 헥타르 당 총 배출 절약은 다음과 같습니다.
$ delta m_ {s2l} = 30300, dfrac {l} {ha} cdot left (2.9-0.6 right) dfrac {kg_ {co_2-eq}} {l} ase 7.0, dfrac {kg_}}}}}}}}}}}}
2018 년 항공의 배출량을 보상하기 위해 어떤 지역이 필요합니까?
$ dfrac {a_ {s2l}} {a_ {earth}} = dfrac { delta m_ {co_2}} { delta m_ {s2l} cdot a_ {earth}} cdot 100% ase dfrac {400 cdot 10^9 kg _} } {7.0, frac {kg_ {co_2-eq}} {m^2} cdot 510.1 cdot 10^{12} m^2} cdot 100 % 약 0.01 % $
S2L 플랜트는 거울을 사용하는 것보다 면적 효율이 약 10 배 더 높습니다. S2L 배출 절약은 비 CO 2 효과를 설명합니다. 항공 업계의 배출량에 대한 수는 CO 2를 차지합니다. 비 코포 2 배출이 포함 된 경우 실제 영역 수요가 높아질 것입니다.
산림은 헥타르 당 100 ~ 500 톤의 탄소를 저장합니다 (http://www.fao.org/3/y0900e/y0900e06.htm). 이것은 헥타르 당 360-1800 T CO 2를 흡수합니다. 하한을 가정하면 1 년의 항공 배출량을 보상하는 데 필요한 지역은 다음과 같습니다.
따라서, 조림은 거울을 사용하는 것보다 적어도 50 배 더 많은 면적 효율적이고 S2L 플랜트보다 5 배 이상 면적 효율적이다. 상단 범위 값 사용 :
조림은 S2L 플랜트보다 최대 20 배 더 면적 효율적입니다.
태양 에너지를 사용한 조림 및 연료 생산은 거울보다 기후 변화를 예방하는 데 더 면적 효율적입니다. 조림은 S2L보다 면적 효율적 일 수 있으므로 가장 효과적인 시나리오가 될 수 있습니다.
