mirrors_prevent_climate_change
1.0.0
Для правильного отображения формул, нажмите здесь: https: //nbviewer.jupyter.org/github/benportner/mirrors_prevent_climate_change/blob/master/mirrors_rf.html
Автор: Бенджамин В. Порттнер, Баухаус Луфтфхарт Э.В., Вилли-Месссершмитт-Страсли 1, 82024 Тауфкирхен
Учитывая, что земля является ограниченным ресурсом, что более эффективно для борьбы с изменением климата: зеркала здания, которые отражают поступающий солнечный свет или строят синтетический топливный завод для замены ископаемого топлива?
Изображение предоставлено НАСА: Loeb et al., J. Clim 2009 & Trenberth et al., Bams 2009. Хостинг, основанный на википедии.
Цитирование Википедии (https://en.wikipedia.org/wiki/solar_constant): количество солнечной энергии, полученной плоским объектом на расстоянии одной астрономической единицы (AU) от солнца, определяется как солнечная постоянная:
$ F_ {in} = sigma cdot dfrac { pi r_e^2} {4 pi r_e^2} absx 340, frac {w} {m^2} $
Это сумма, помеченная как «входящее солнечное излучение» в вышеупомянутой графике. Из 340 Вт/м2 приблизительно 30% отражаются обратно в космос атмосферой и поверхностью Земли. Это значение представляет среднюю альбедо Земли (атмсаферическая + поверхность). Еще 23% входящего излучения поглощаются атмосферой и вновь вносят в жизнь как инфракрасное излучение. Эффективно, 186 Вт/м2 (55%) достигают поверхности земли (до поверхностного отражения).
Средняя поверхностная альбедо - это отношение отраженного излучения к входящему излучению:
Используя зеркала, это значение может быть увеличено. Больше энергии будет отражено в космосе, меньше энергии будет поглощено и превращено в инфракрасное излучение. Таким образом, увеличение поверхностного альбедо будет иметь охлаждающее влияние на климат. В следующем разделе я постараюсь количественно оценить этот эффект.
Как указывалось ранее, установка зеркал эффективно означает увеличение альбедо поверхности Земли. Альбедо - довольно необычный термин для описания эффективности отражения света для зеркал. Вместо этого используется термин отражательная способность (хотя его определение идентично определению альбедо). Отражательная способность зависит от многих факторов, таких как длина волны входящего света, толщина зеркального материала и его элементарный состав.
Изображение предоставлено Википедией: https://en.wikipedia.org/wiki/file:solar_spectrum_en.svg
Наверху графика показывает спектральный состав солнечного света, как в верхней части атмосферы (желтый), так и на поверхности Земли (красный). Очевидно, что большая часть энергии на поверхности переносится в видимом и ближнем инфракрасном спектре. Меньшие количества падают в диапазоне UV-A и -B и в диапазоне IR-B. Идеальное зеркало будет нечувствительным к разнице. В действительности, зеркала обычно чувствительны либо к коротким длинам волн, либо к длинным. Например, алюминий «будет отражать от 85 до 90% света в пределах видимого до почти ультравиолетового диапазона, но испытывает падение его отражения между 800 и 900 нм». С другой стороны, серебро «может отражать до 98 или 99% света до длины волн до 2000 нм, но теряет почти всю отражательную способность на длине волн короче 350 нм» (https://en.wikipedia.org/wiki/mirror#tolerants). Серебро, вероятно, будет лучшим кандидатом на наши зеркала. Тем не менее, алюминий является более вероятным выбором для крупномасштабного применения по экономическим причинам. Учитывая это, давайте предполагаем отражательную способность
$ F_ {Reflected} = f_ {surface} cdot epsilon_ {mirror} abpx 93, frac {w} {m^2} $
После отражения от зеркала радиация снова попадет в атмосферу. Поток энергии, покидающий Землю, определяется передачей атмосферы Земли:
$ F_ {out} = f_ {Reflected} cdot theta_ {атмосфера} $
Трансмиссия может быть аппроксимирована с первой графики. Из входящего солнечного излучения 23% были поглощены атмосферой. Эта энергия будет отчасти отчасти к поверхности Земли и частично до космоса. Для этого анализа я предполагаю, что распределение составляет 50:50. Еще 23% входящего солнечного излучения было отражено в космосе. Следовательно, то же количество будет отражено обратно на землю, когда выходят с противоположной стороны. Затем небольшая часть будет повторно зарегистрирована поверхностью и так далее. Эта сумма пренебрегается здесь. Все отраженное излучение рассматривается как не передаваемое. Таким образом:
$ theta_ {atmosphere} abx 1 - 0,23 cdot 0,5 - 0,23 Приблизительно 0,66 $
Вставка урожайности
$ F_ {out} = 61, frac {w} {m^2} $
После установки зеркала 61 Вт/м2 отражаются от Земли назад к космосу. Перед установкой 23 Вт/м2 были отражены из -за поверхностного альбедо. Разница в том, что изменение энергетического баланса нашей земли:
$ Delta f = 23, frac {w} {m^2} - 61, frac {w} {m^2} = -38, frac {w} {m^2} $
Площадь в знаменателе относится к области зеркала. Радиационное воздействие обычно выражается в отношении площади поверхности Земли. Радиационное воздействие (RF) поля зеркал, таким образом:
$ Rf = delta f cdot dfrac {a_ {mirror}} {a_ {earth}} optx delta f cdot dfrac {a_ {mirror}} {510.1 cdot 10^6 км^2} $
CO2-это так называемый парниковый газ (ПГ). ПГ - это хорошие передатчики радиации коротких длин волн и являются хорошими поглотителями излучения длинных длин волн. Таким образом, они допускают энергию в форме солнечного света, чтобы достичь земли, и они предотвращают длительное излучение сбежать в космос. Благодаря этому эффекту средняя температура поверхности на Земле находится в уютном 14 ° C, а не замораживает -18 ° C, если у нее не было атмосферы (https://en.wikipedia.org/wiki/greenhouse_effect).
Если концентрация ПГ в атмосфере увеличивается, то и температура Земли. Это изменение может быть эквивалентно выражено как увеличение входящего (и, следовательно, исходящего, предполагающего равновесного) солнечного излучения. Это то, что ученые называют радиационным принуждением
$ 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) $
Где
Теперь давайте выразим это уравнение с точки зрения массы, а не концентрации, для облегчения обработки. Один ppm-v CO 2 примерно соответствует 2,13 GT углерода (https://cdiac.ess-dive.lbl.gov/pns/faq.html). Таким образом:
$ Delta c, [ppm text {-} v] absx 2.13 delta m_ {c}, [gt] axtx 7.81 delta m_ {co_2}, [gt] $
Вставка урожайности:
$ Rf, left [ dfrac {w} {m^2} right] = 5,35 ln bigg (1 + 0,02, delta m_ {co_2} [gt] bigg) $
Давайте используем то, что мы знаем, чтобы ответить на практический вопрос: какая зона зеркала будет необходима для компенсации выбросов CO 2 авиационного сектора?
Выбросы Aviation CO 2 в 2018 году составили 0,895 GT (https://www.atag.org/facts-figures.html). Однако не все это CO 2 добавляет к радиационному воздействию. Часть испускаемого CO 2 поглощается океанами и растениями Земли. В прошлом около 45% испускаемого CO 2 оставались в атмосфере, тогда как 55% были поглощены (https://earthobservatory.nasa.gov/features/carboncycle/page5.php). Таким образом, увеличение атмосферного CO 2 было:
$ Delta m_ {co_2} ag.45 cdot 0,895, gt ag.4, gt $
Соответствующее радиационное воздействие составляет:
$ Rf_ {aviation} = 0.04, dfrac {w} {m^2} $
Теперь, сколько зеркальной зоны необходимо, чтобы компенсировать этот RF? Выражая площадь в процентах от поверхности Земли:
$ dfrac {a_ {mirror}} {a_ {earth}} = - dfrac {rf_ {aviation}} { delta f_ {mirror}} cdot 100 % axtx 0.1 % $
Покрывая 0,1% поверхности Земли ( около 54 мио . Обратите внимание, что результат на самом деле является скоростью. Каждый год выпускается больше CO 2 , и нужно будет построить больше зеркал.
Horizon 2020 Project Sun-To-Liquid (S2L) предлагает путь для производства реактивного топлива из CO 2 Atmospheric с использованием энергии от концентрированного солнечного света. Цепочка от захваченного CO 2 до топлива является длинной, и каждый шаг увеличивает технические потери и требования к материалам. Таким образом, возникает вопрос: стоит ли пройти весь путь до производства топлива или было бы более эффективным просто отражать солнечное излучение обратно в пространство, используя одни и те же зеркала?
На сегодняшний день не существует промышленного завода, поэтому мои оценки основаны на расчете Кристофа для масштабированного дизайна. Завод производит 30 300 литров топлива на гектар и год. Производимые выбросы парниковых газов в производственном топливе (все-просыпание) составляют 0,6 кг CO 2 -эквиваленты на литр сгорели. Fossil Jet Fuel производит около 2,9 кг CO 2 -эквивалентов на литр на протяжении всего своего жизненного цикла. Общая экономия выбросов на гектар в течение одного года тогда:
$ Delta m_ {s2l} = 30300, dfrac {l} {ha} cdot left (2.9-0.6 right) dfrac {kg_ {co_2-eq}} {l} abx 7.0, dfrac {kg_ {co_2-eq}} {m^}} {m^}} {m^}} {m^}} {m^}} {m^}} {m^}}} {m^}}}}
В какой области необходимо было бы компенсировать выбросы авиации за 2018 год?
$ dfrac {a_ {s2l}} {a_ {earth}} = dfrac { delta m_ {co_2}} { delta m_ {s2l} cdot a_ {earth}} cdot 100% oppx - dfrac {400 cdot 10^9 kg_2 {2 7. 7. frac {kg_ {co_2-eq}} {m^2} cdot 510.1 cdot 10^{12} m^2} cdot 100 % ag.01 % $
Завод S2L примерно в 10 раз больше площади, чем использование зеркал. Обратите внимание, что сберегательный счет эмиссии S2L для эффектов Non-Co 2 . Количество, приведенное для выбросов авиационной промышленности, учитывает только CO 2 . Реальный спрос на территорию был бы выше, если бы не CO 2 выбросы были включены.
Лесы хранят от 100 до 500 тонн углерода на гектар (http://www.fao.org/3/y0900e/y0900e06.htm). Это переводится на 360-1800 T CO 2 , поглощенный на гектар. Предполагая, что нижняя граница, область, необходимая для компенсации на один год авиационных выбросов:
Таким образом, охватывание по меньшей мере в 50 раз больше площадью, чем использование зеркал, и, по крайней мере, в 5 раз больше, чем площади, чем растение S2L. Использование значения верхнего диапазона:
Обесвариваемость не более чем в 20 раз больше, чем площади, чем завод S2L.
Как облесение, так и производство топлива с использованием солнечной энергии более эффективны для предотвращения изменения климата, чем зеркала. Обеслов, вероятно, будет более эффективным, чем S2L, что делает его наиболее эффективным сценарием.
