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Os espelhos podem impedir a mudança climática? Uma comparação do impacto climático do aprimoramento artificial do albedo versus a produção e o arestado de combustível sintético

Autor: Benjamin W. Portner, Bauhaus Luftfahrt Ev, Willy-Messerschmitt-Straße 1, 82024 Taufkirchen

Índice

• 1 Pergunta de pesquisa
• 2 forçando radiativo de espelhos
  • 2.1 Orçamento de energia da Terra
  • 2.2 O potencial dos espelhos
• 3 Forçando radiativa de CO ₂
• 4 Mirror CO ₂ Compensação
• 5 Comparação com outras estratégias de intimação de CO ₂
  • 5.1 Sol para líquido
  • 5.2 AFORESTAÇÃO
• 6 Conclusão

Pergunta de pesquisa

Dado que a terra é um recurso limitado, o que é mais eficaz no combate às mudanças climáticas: espelhos de construção que refletem a luz solar de entrada ou a construção de uma usina de combustível sintética para substituir os combustíveis fósseis?

Forçando radiativa de espelhos

Orçamento de energia da Terra

Imagem cortesia da NASA: Loeb et al., J. Clim 2009 e Trenberth et al., Bams 2009. Hospedagem alimentada pela Wikipedia.

Citando a Wikipedia (https://en.wikipedia.org/wiki/solar_constant): a quantidade de energia solar recebida por um objeto plano a uma distância de uma unidade astronômica (AU) do sol é definida como a constante solar: $ sigma = 1361 frac {w} {m^2} $ . Esse valor é muito constante, mesmo através de diferentes períodos de atividade do sol. A quantidade real de energia que chega ao topo da atmosfera da Terra varia entre 1412 W/m2 no início de janeiro e 1321 W/m2 no início de julho devido à forma elíptica da órbita da Terra. A constante solar apresenta a média anual recebida pela seção transversal da Terra ( $ pi r_e^2 $ ). Graças à rotação da terra, essa quantidade se espalha entre sua superfície ( $ 4 pi r_e^2 $ ). A radiação média recebida na superfície da Terra é assim:

$ F_ {in} = sigma cdot dfrac { pi r_e^2} {4 pi r_e^2} aprox 340, frac {w} {m^2} $

Essa é a quantidade rotulada de "radiação solar de entrada" no gráfico acima. Dos 340 W/m2, aproximadamente 30% são refletidos de volta ao espaço pela atmosfera e pela superfície da Terra. Este valor apresenta o albedo médio da Terra (ATMSOFERIC + SUPERFÍCIA). Outros 23% da radiação recebida são absorvidos pela atmosfera e reemitidos como radiação infravermelha. Efetivamente, 186 W/m2 (55%) atingem a superfície da Terra (antes da reflexão da superfície).

$ F_ {superfície} = 186, frac {w} {m^2} $

A superfície média albedo é a proporção de radiação refletida e radiação de entrada:

$ epsilon_ {Surface} = frac {22.9} {186} aprox 0,12 $

Usando espelhos, esse valor pode ser aumentado. Mais energia seria refletida de volta ao espaço, menos energia seria absorvida e transformada em radiação infravermelha. Assim, o aumento do albedo da superfície teria um efeito de resfriamento no clima. Na próxima seção, tentarei quantificar esse efeito.

O potencial dos espelhos

Como afirmado anteriormente, a instalação de espelhos significa efetivamente aumentar o albedo da superfície da terra. Albedo é um termo bastante incomum para descrever a eficiência da reflexão da luz para os espelhos. Em vez disso, o termo refletividade é usado (embora sua definição seja idêntica à de Albedo). A refletividade depende de muitos fatores, como o comprimento de onda da luz de entrada, a espessura do material do espelho e sua composição elementar.

Imagem cortesia da Wikipedia: https://en.wikipedia.org/wiki/file:solar_spectrum_en.svg

Acima do gráfico mostra a composição espectral da luz solar, tanto no topo da atmosfera (amarela) quanto na superfície da Terra (vermelha). Claramente, a maior parte da energia na superfície é transportada no espectro visível e no infravermelho próximo. Quantidades menores caem na faixa UV-A e -B e na faixa IR-B. Um espelho ideal seria insensível à diferença. Na realidade, os espelhos são geralmente sensíveis a comprimentos de onda curtos ou a longos. O alumínio, por exemplo, "refletirá 85 a 90% da luz na faixa visível para quase ultravioleta, mas sofre uma queda em sua refletância entre 800 e 900 nm". A prata, por outro lado, "pode refletir até 98 ou 99% da luz para comprimentos de onda até 2000 nm, mas perde quase toda a refletividade em comprimentos de onda mais curtos que 350 nm" (https://en.wikipedia.org/wiki/mirror#tolerâncias). A prata provavelmente seria o melhor candidato para nossos espelhos. No entanto, o alumínio é a escolha mais provável para aplicação em larga escala por razões econômicas. Considerando isso, vamos assumir uma refletividade $ epsilon_ {Mirror} $ de 50%

$ F_ {reflete} = f_ {Surface} cdot epsilon_ {espelho} aprox 93, frac {w} {m^2} $

Após a reflexão do espelho, a radiação atingirá novamente a atmosfera. O fluxo de energia que sai da Terra é definido pela transmissividade da atmosfera da Terra:

$ F_ {out} = f_ {refletido} cdot theta_ {atmosfera} $

A transmissividade pode ser aproximada do primeiro gráfico. Da radiação solar recebida, 23% foram absorvidos pela atmosfera. Essa energia será reemitida em parte à superfície da Terra e parcialmente ao espaço. Para esta análise, presumo que a distribuição seja 50:50. Outros 23% da radiação solar recebida foram refletidos de volta ao espaço. Consequentemente, a mesma quantidade será refletida de volta à Terra quando vier do lado oposto. Uma pequena parte será refletida pela superfície e assim por diante. Esse valor é negligenciado aqui. Toda a radiação refletida é tratada como não transmitida. Por isso:

$ theta_ {atmosphere} aprox 1 - 0,23 cdot 0,5 - 0,23 aprox 0,66 $

Inserir rendimentos

$ F_ {out} = 61, frac {w} {m^2} $

Depois de instalar o espelho, 61 W/m2 são refletidos da Terra de volta ao espaço. Antes da instalação, 23 W/m2 foram refletidos devido ao albedo da superfície. A diferença é a mudança no equilíbrio energético de nossa Terra:

$ Delta f = 23, frac {w} {m^2} - 61, frac {w} {m^2} = -38, frac {w} {m^2} $

A área no denominador refere -se à área do espelho. A força radiativa é geralmente expressa em referência à área de superfície da Terra. A força radiativa (RF) de um campo de espelhos é assim:

$ Rf = delta f cdot dfrac {a_ {Mirror}} {a_ {Earth}} aprox delta f cdot dfrac {a_ {espelho}} {510.1 cdot 10^6 km^2} $

Forçar radiativa de CO ₂

O CO2 é o chamado gás de efeito estufa (GEE). GEE são bons transmissores de radiação de comprimentos de onda curtos e são bons absorvedores de radiação de comprimentos de onda longos. Assim, eles permitem energia na forma de luz solar para alcançar a Terra e impedem que a radiação de comprimento de onda longa escape para o espaço. Graças a esse efeito, a temperatura média da superfície na Terra está em um aconchegante 14 ° C, em vez de congelar -18 ° C se não tivesse uma atmosfera (https://en.wikipedia.org/wiki/Greenhouse_effect).

Se a concentração de GEE na atmosfera aumentar, o mesmo acontece com a temperatura da Terra. Essa mudança pode ser expressa equivalentemente como um aumento na radiação solar de entrada (e, portanto, extrovertida, assumindo o equilíbrio). É isso que os cientistas chamam de forçamento radiativo $ Delta f $ . Para uma mudança na concentração de CO ₂ , o forçamento radiativo pode ser aproximado por uma relação logarítmica (https://en.wikipedia.org/wiki/radiative_forcing):

$ Rf, esquerda [ dfrac {w} {m^2} direita] = 5.35 ln esquerda ( dfrac {c} {c_0} direita) = 5.35 ln esquerda ( dfrac {c_0 + delta c} {

Onde $ c_0 $ é a concentração de referência medida em partes volumétricas por milhão (ppm-v). Hoje, a concentração de CO ₂ na atmosfera é aproximadamente $ c_0 = 400 $ ppm-v.

Agora, vamos expressar essa equação em termos de massa e não concentração, para facilitar o manuseio. Um ppm-v de CO ₂ corresponde aproximadamente a 2,13 GT de carbono (https://cdiac.ess-dive.lbl.gov/pns/faq.html). Por isso:

$ Delta c, [ppm text {-} v] aprox 2.13 delta m_ {c}, [gt] aprox 7,81 delta m_ {co_2}, [gt] $

Inserir rendimentos:

$ Rf, esquerda [ dfrac {w} {m^2} direita] = 5.35 ln bigg (1 + 0,02, delta m_ {co_2} [gt] bigg) $

Compensação do espelho CO ₂

Vamos usar o que sabemos para responder a uma pergunta prática: que área de espelho seria necessária para compensar as emissões de CO ₂ do setor de aviação?

As emissões de aviação CO ₂ em 2018 foram de 0,895 GT (https://www.atag.org/facts-figres.html). No entanto, nem todo esse CO ₂ aumenta a forçamento radiativa. Parte do CO ₂ emitido é absorvido pelos oceanos e plantas da Terra. No passado, cerca de 45% dos CO ₂ emitidos permaneceram na atmosfera, enquanto 55% eram absorvidos (https://earthobservatory.nasa.gov/features/carbonncycle/page5.php). O aumento atmosférico de CO ₂ foi assim:

$ Delta m_ {co_2} aprox 0,45 cdot 0,895, gt aprox 0,4, gt $

O correspondente forçando o valor para:

$ Rf_ {aviação} = 0,04, dfrac {w} {m^2} $

Agora, quanta área de espelho é necessária para compensar essa RF? Expressando a área em porcentagem da superfície da Terra:

$ dfrac {a_ {Mirror}} {a_ {Earth}} = - dfrac {rf_ {aviação}} { delta f_ {espelho}} cdot 100 % aprox 0,1 % $ $

Ao cobrir 0,1% da superfície da Terra (ca. 54 mio. km ² ) com espelhos, é possível compensar as emissões de CO ₂ da indústria de aviação do ano de 2018 (não levando em consideração os efeitos não-Co ₂ ). Observe que o resultado é realmente uma taxa. A cada ano, mais CO ₂ é emitido e mais espelhos precisam ser construídos.

Comparação com outras estratégias de equitação de CO ₂

Sol para líquido

O Horizon 2020 Project Sun-to-Liquid (S2L) propõe um caminho para produzir combustível de aviação a partir de _CO atmosférico usando energia da luz solar concentrada. A cadeia de CO ₂ capturada para combustível é longa e cada etapa aumenta as perdas técnicas e os requisitos de materiais. Assim, surge a pergunta: vale a pena ir até a produção de combustível ou seria mais eficiente refletir apenas a radiação solar de volta ao espaço usando os mesmos espelhos?

Nenhuma planta industrial existe até agora, minhas estimativas são baseadas no cálculo de Christoph para um design de ampliação. A planta produz 30.300 litros de combustível por hectare e ano. As emissões de GEE do ciclo de vida do combustível produzido (próspero) são de 0,6 kg de equivalentes a ₂ por litro queimados. O combustível de jato fóssil produz cerca de 2,9 kg de _CO2 -equivalentes por litro ao longo de seu ciclo de vida. A economia total de emissões por hectare por um ano é então:

$ Delta m_ {s2l} = 30300, dfrac {l} {ha} cdot esquerda (2.9-0.6 direita) dfrac {kg_ {co_2-eq}} {l} aprox 7.0, dfrac {kg_ {}

Que área seria necessária para compensar as emissões da aviação para o ano de 2018?

$ dfrac {a_ {s2l}} {a_ {Earth}} = dfrac { delta m_ {co_2}} { delta m_ {s2l} cdot a_ {Earth}} cdot 100% a aproximadamente dfrac a_ {{}} cdot 100% aproximadamente dfrac dfrac dfrac dfrac dfrac dfrac dfrac drac drac drac drac drac drac drac drac drac drac drac dract} } {7.0, frac {kg_ {co_2-eq}} {m^2} cdot 510.1 cdot 10^{12} m^2} cdot 100 % aprox 0,01 % $

A planta S2L é cerca de 10 vezes mais eficiente em área do que o uso de espelhos. Observe que o S2L Savings Savings é responsável por efeitos não-Co ₂ . O número fornecido para as emissões do setor de aviação é responsável apenas por CO ₂ . A demanda real da área seria maior se as emissões que não são de co-co ₂ forem incluídas.

AFORESTAÇÃO

As florestas armazenam entre 100 e 500 toneladas de carbono por hectare (http://www.fao.org/3/y0900e/y0900e06.htm). Isso se traduz em 360-1800 T CO ₂ absorvido por hectare. Supondo que o limite inferior, a área necessária para compensar um ano de emissões de aviação é:

$ dfrac {a_ {Mirror}} {a_ {Earth}}} = dfrac {0.4 cdot 10^{9} t} {360 frac {T} {ha} cdot a_ {Earth}} CDOT 100 % apropriado 0.

Assim, o arestamento é pelo menos 50 vezes mais eficiente em área do que o uso de espelhos e pelo menos 5 vezes mais eficiente em termos de área que a planta S2L. Usando o valor da faixa superior:

$ dfrac {a_ {Mirror}} {a_ {Earth}}} = dfrac {0.4 cdot 10^{9} t} {1600 frac {T} {ha} cdot a_ {Earth}} cdot 100 % apropriado 0.

O arestamento é no máximo 20 vezes mais eficiente em termos de área que a planta S2L.

Conclusão

Tanto o arestamento quanto a produção de combustível usando energia solar são mais eficientes na área na prevenção de mudanças climáticas do que os espelhos. É provável que o arestamento seja mais eficiente em área que o S2L, tornando-o o cenário mais eficaz.