mirrors_prevent_climate_change
1.0.0
สำหรับสูตรที่แสดงผลอย่างถูกต้องคลิกที่นี่: https: //nbviewer.jupyter.org/github/benportner/mirrors_prevent_climate_change/blob/master/mirrors_rf.html
ผู้แต่ง: Benjamin W. Portner, Bauhaus Luftfahrt EV, Willy-Messerschmitt-Straße 1, 82024 Taufkirchen
เนื่องจากที่ดินเป็นทรัพยากรที่ จำกัด สิ่งที่มีประสิทธิภาพมากขึ้นในการแก้ปัญหาการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศ: อาคารอาคารที่สะท้อนแสงของแสงแดดที่เข้ามาหรือสร้างโรงงานเชื้อเพลิงสังเคราะห์เพื่อแทนที่เชื้อเพลิงฟอสซิล?
ภาพที่ได้รับความอนุเคราะห์จาก NASA: Loeb et al., J. Clim 2009 & Trenberth et al, BAMS 2009. โฮสต์ขับเคลื่อนโดย Wikipedia
การอ้างถึง Wikipedia (https://en.wikipedia.org/wiki/solar_constant): ปริมาณพลังงานแสงอาทิตย์ที่ได้รับจากวัตถุแบนที่ระยะทางของหน่วยดาราศาสตร์หนึ่งหน่วย (Au) จากดวงอาทิตย์ถูกกำหนดเป็นค่าคงที่แสงอาทิตย์:
$ f_ {in} = sigma cdot dfrac { pi r_e^2} {4 pi r_e^2} ประมาณ 340, frac {w} {m^2} $
นี่คือจำนวนเงินที่ระบุว่า "การแผ่รังสีพลังงานแสงอาทิตย์เข้ามา" ในกราฟิกด้านบน จาก 340 W/m2 ประมาณ 30% จะสะท้อนกลับสู่อวกาศโดยชั้นบรรยากาศและพื้นผิวโลก ค่านี้นำเสนออัลเบโดเฉลี่ยของโลก (Atmsopheric + พื้นผิว) อีก 23% ของการแผ่รังสีที่เข้ามาจะถูกดูดซึมโดยบรรยากาศและถูกปล่อยออกมาเป็นรังสีอินฟราเรดอีกครั้ง อย่างมีประสิทธิภาพ 186 W/m2 (55%) ถึงพื้นผิวของโลก (ก่อนการสะท้อนพื้นผิว)
พื้นผิวเฉลี่ยอัลเบโดเป็นอัตราส่วนของรังสีสะท้อนต่อการแผ่รังสีที่เข้ามา:
โดยการใช้กระจกค่านี้สามารถเพิ่มขึ้นได้ พลังงานมากขึ้นจะสะท้อนกลับสู่อวกาศพลังงานจะถูกดูดซึมน้อยลงและกลายเป็นรังสีอินฟราเรด ดังนั้นการเพิ่มพื้นผิวอัลเบโด้จะมีผลต่อการระบายความร้อนต่อสภาพอากาศ ในส่วนถัดไปฉันจะพยายามหาปริมาณผลกระทบนี้
ตามที่ระบุไว้ก่อนหน้านี้การติดตั้งกระจกอย่างมีประสิทธิภาพหมายถึงการเพิ่มอัลเบโดของพื้นผิวโลก อัลเบโดเป็นคำที่ค่อนข้างแปลกในการอธิบายประสิทธิภาพของการสะท้อนแสงสำหรับกระจก แต่ใช้คำศัพท์การสะท้อนกลับ (แม้ว่าคำจำกัดความจะเหมือนกับของอัลเบโด) การสะท้อนแสงขึ้นอยู่กับปัจจัยหลายอย่างเช่นความยาวคลื่นของแสงที่เข้ามาความหนาของวัสดุกระจกและองค์ประกอบองค์ประกอบ
ภาพที่ได้รับความอนุเคราะห์จาก Wikipedia: https://en.wikipedia.org/wiki/file:solar_spectrum_en.svg
กราฟิกด้านบนแสดงองค์ประกอบสเปกตรัมของแสงแดดทั้งที่ด้านบนของชั้นบรรยากาศ (สีเหลือง) และที่พื้นผิวโลก (สีแดง) เห็นได้ชัดว่าพลังงานส่วนใหญ่ที่พื้นผิวจะถูกนำไปใช้ในสเปกตรัมที่มองเห็นได้และใกล้อินฟราเรด จำนวนที่น้อยกว่าอยู่ในช่วง UV-A และ -B และในช่วง IR-B กระจกในอุดมคติจะไม่รู้สึกถึงความแตกต่าง ในความเป็นจริงกระจกมักจะไวต่อความยาวคลื่นสั้นหรือกับเส้นยาว ตัวอย่างเช่นอลูมิเนียม "จะสะท้อนให้เห็นถึง 85 ถึง 90% ของแสงในช่วงที่มองเห็นได้ถึงช่วงใกล้อูร์ตาร์ทราเวลต์ แต่ประสบกับการลดลงของการสะท้อนระหว่าง 800 ถึง 900 นาโนเมตร" ในทางกลับกันเงิน "สามารถสะท้อนแสงได้ถึง 98 หรือ 99% ของแสงถึงความยาวคลื่นตราบเท่าที่ 2,000 นาโนเมตร แต่สูญเสียการสะท้อนกลับเกือบทั้งหมดที่ความยาวคลื่นสั้นกว่า 350 นาโนเมตร" (https://en.wikipedia.org/wiki/mirror#tolerances) เงินอาจเป็นตัวเลือกที่ดีที่สุดสำหรับกระจกของเรา อย่างไรก็ตามอลูมิเนียมเป็นตัวเลือกที่มีแนวโน้มมากขึ้นสำหรับการใช้งานขนาดใหญ่ด้วยเหตุผลทางเศรษฐกิจ เมื่อพิจารณาถึงสิ่งนี้ให้เราสมมติว่าการสะท้อนแสง
$ f_ {reflected} = f_ {surface} cdot epsilon_ {mirror} ประมาณ 93, frac {w} {m^2} $
หลังจากสะท้อนจากกระจกรังสีจะตีบรรยากาศอีกครั้ง การไหลของพลังงานออกจากโลกถูกกำหนดโดยการส่งผ่านของชั้นบรรยากาศโลก:
$ f_ {out} = f_ {reflected} cdot theta_ {บรรยากาศ} $
การส่งผ่านสามารถประมาณได้จากกราฟิกแรก จากการแผ่รังสีแสงอาทิตย์ที่เข้ามา 23% ถูกดูดซึมโดยบรรยากาศ พลังงานนี้จะถูกปล่อยออกมาอีกส่วนหนึ่งไปยังพื้นผิวโลกและส่วนหนึ่งไปยังอวกาศ สำหรับการวิเคราะห์นี้ฉันถือว่าการกระจายคือ 50:50 อีก 23% ของรังสีพลังงานแสงอาทิตย์ที่เข้ามาสะท้อนกลับสู่อวกาศ ดังนั้นจำนวนเท่ากันจะถูกสะท้อนกลับสู่โลกเมื่อมาจากฝั่งตรงข้าม ส่วนเล็ก ๆ จะถูกสะท้อนกลับอีกครั้งโดยพื้นผิวและอื่น ๆ จำนวนนี้ถูกละเลยที่นี่ การแผ่รังสีที่สะท้อนทั้งหมดได้รับการปฏิบัติว่าไม่ส่ง ดังนั้น:
$ theta_ {บรรยากาศ} ประมาณ 1 - 0.23 cdot 0.5 - 0.23 ประมาณ 0.66 $
การแทรกผลผลิต
$ f_ {out} = 61, frac {w} {m^2} $
หลังจากติดตั้งกระจก 61 W/m2 จะสะท้อนจากโลกกลับสู่อวกาศ ก่อนการติดตั้ง 23 w/m2 สะท้อนให้เห็นเนื่องจากพื้นผิวอัลเบโด ความแตกต่างคือการเปลี่ยนแปลงความสมดุลของพลังงานโลกของเรา:
$ delta f = 23, frac {w} {m^2} - 61, frac {w} {m^2} = -38, frac {w} {m^2} $
พื้นที่ในตัวส่วนหมายถึงพื้นที่ของกระจก การบังคับรังสีมักจะแสดงในพื้นที่ผิวของโลก การแผ่รังสี (RF) ของสนามกระจกจึงเป็นเช่นนั้น:
$ rf = delta f cdot dfrac {a_ {mirror}} {a_ {Earth}} aperx delta f cdot dfrac {a_ {mirror}} {510.1 cdot 10^6 km^2} $} $
CO2 เป็นก๊าซเรือนกระจกที่เรียกว่า (GHG) GHGs เป็นเครื่องส่งสัญญาณที่ดีของรังสีของความยาวคลื่นสั้นและเป็นตัวดูดซับที่ดีของการแผ่รังสีของความยาวคลื่นยาว ดังนั้นพวกเขาจึงอนุญาตให้พลังงานในรูปแบบของแสงแดดเพื่อไปถึงโลกและป้องกันการแผ่รังสีความยาวคลื่นยาวจากการหลบหนีไปยังอวกาศ ต้องขอบคุณเอฟเฟกต์นี้อุณหภูมิพื้นผิวเฉลี่ยบนโลกอยู่ที่ 14 ° C ที่สะดวกสบายมากกว่าการแช่แข็ง -18 ° C หากไม่มีบรรยากาศ (https://en.wikipedia.org/wiki/Greenhouse_effect)
หากความเข้มข้นของ GHGs ในชั้นบรรยากาศเพิ่มขึ้นอุณหภูมิของโลกก็เช่นกัน การเปลี่ยนแปลงนี้สามารถแสดงได้อย่างเท่าเทียมกันว่าเป็นการเพิ่มขึ้นของการแผ่รังสีพลังงานแสงอาทิตย์ (และทำให้เกิดความสมดุล) นี่คือสิ่งที่นักวิทยาศาสตร์เรียกว่าการบังคับรังสี
$ rf, left [ dfrac {w} {m^2} ขวา] = 5.35 ln left ( dfrac {c} {c_0} right) = 5.35 ln left ( dfrac {c_0 + delta
ที่ไหน
ตอนนี้ให้เราแสดงสมการนี้ในแง่ของมวลมากกว่าความเข้มข้นเพื่อการจัดการที่ง่ายขึ้น PPM-V หนึ่งตัวของ CO 2 สอดคล้องกับคาร์บอน 2.13 GT (https://cdiac.ess-dive.lbl.gov/pns/faq.html) ดังนั้น:
$ Delta C, [ppm text {-} v] ประมาณ 2.13 delta m_ {c}, [gt] ประมาณ 7.81 delta m_ {co_2}, [gt] $
การแทรกอัตราผลตอบแทน:
$ rf, left [ dfrac {w} {m^2} ขวา] = 5.35 ln bigg (1 + 0.02, delta m_ {co_2} [gt] bigg) $
ให้เราใช้สิ่งที่เรารู้เพื่อตอบคำถามเชิงปฏิบัติ: พื้นที่กระจกใดที่จำเป็นต้องชดเชยการปล่อย CO 2 ของภาคการบิน?
Aviation CO 2 การปล่อยมลพิษในปี 2561 มีจำนวน 0.895 GT (https://www.atag.org/facts-figures.html) อย่างไรก็ตาม CO 2 ทั้งหมดนี้ไม่ได้เพิ่มการบังคับใช้การแผ่รังสี ส่วนหนึ่งของ Co 2 ที่ปล่อยออกมานั้นถูกดูดซับโดยมหาสมุทรและพืชของโลก ในอดีตประมาณ 45% ของ Co 2 ที่ปล่อยออกมาอยู่ในบรรยากาศในขณะที่ 55% ถูกดูดซึม (https://earthobservatory.nasa.gov/features/carboncycle/page5.php) การเพิ่มบรรยากาศ CO 2 จึงเพิ่มขึ้น:
$ delta m_ {co_2} ประมาณ 0.45 cdot 0.895, gt ประมาณ 0.4, gt $
การบังคับใช้การแผ่รังสีที่สอดคล้องกันเป็นจำนวนมากถึง:
$ rf_ {การบิน} = 0.04, dfrac {w} {m^2} $
ตอนนี้พื้นที่กระจกเป็นสิ่งจำเป็นในการชดเชย RF นี้มากแค่ไหน? แสดงพื้นที่เป็นเปอร์เซ็นต์ของพื้นผิวโลก:
$ dfrac {a_ {mirror}} {a_ {Earth}} = - dfrac {rf_ {การบิน}} { delta f_ {mirror}} cdot 100 % ประมาณ 0.1 % $ $ $
ด้วยการครอบคลุม 0.1% ของพื้นผิวโลก (แคลิฟอร์เนีย 54 ไมโอกม. 2 ) ด้วยกระจกเราสามารถชดเชยการปล่อย CO 2 ของอุตสาหกรรมการบินแห่งปี 2561 (ไม่คำนึงถึงผลกระทบที่ไม่ใช่ Co 2 ) โปรดทราบว่าผลลัพธ์เป็นอัตราจริง ในแต่ละปีจะมีการปล่อย CO 2 มากขึ้นและจะต้องสร้างกระจกมากขึ้น
Horizon 2020 Project Sun-to-liquid (S2L) เสนอเส้นทางในการผลิตเชื้อเพลิงเจ็ทจาก Atmospheric CO 2 โดยใช้พลังงานจากแสงแดดเข้มข้น ห่วงโซ่จากเชื้อเพลิงที่ถูกจับ Co 2 ไปจนถึงเชื้อเพลิงมีความยาวและแต่ละขั้นตอนจะเพิ่มความสูญเสียทางเทคนิคและข้อกำหนดของวัสดุ ดังนั้นคำถามที่เกิดขึ้น: มันคุ้มค่าที่จะไปจนถึงการผลิตเชื้อเพลิงหรือจะมีประสิทธิภาพมากกว่าที่จะสะท้อนการแผ่รังสีแสงอาทิตย์กลับสู่อวกาศโดยใช้กระจกเดียวกันหรือไม่?
ไม่มีโรงงานอุตสาหกรรมจนถึงปัจจุบันดังนั้นการประมาณการของฉันจึงขึ้นอยู่กับการคำนวณของ Christoph สำหรับการออกแบบที่ปรับขนาด โรงงานผลิตเชื้อเพลิง 30,300 ลิตรต่อเฮกตาร์และปี การปล่อยก๊าซ GHG อายุการใช้งานของเชื้อเพลิงที่ผลิตขึ้น (เป็นอย่างดี) มีจำนวน 0.6 กิโลกรัม CO 2- เทียบเท่าต่อลิตรที่ถูกเผา เชื้อเพลิงฟอสซิลเจ็ทผลิตประมาณ 2.9 กิโลกรัม CO 2 -เทียบเท่าต่อลิตรตลอดวงจรชีวิต การออมการปล่อยมลพิษทั้งหมดต่อเฮกตาร์เป็นเวลาหนึ่งปีแล้ว:
$ delta m_ {s2l} = 30300, dfrac {l} {ha} cdot left (2.9-0.6 ขวา) dfrac {kg_ {co_2-eq}} {l} }
พื้นที่ใดที่จำเป็นในการชดเชยการปล่อยมลพิษของการบินสำหรับปี 2561
$ dfrac {a_ {s2l}} {a_ {earth}} = dfrac { delta m_ {co_2}} { delta m_ {s2l} cdot a_ {Earth}} cdot 100% dfrac } {7.0, frac {kg_ {co_2-eq}} {m^2} cdot 510.1 cdot 10^{12} m^2} cdot 100 % ประมาณ 0.01 % $ $ $
โรงงาน S2L นั้นมีประสิทธิภาพในพื้นที่มากกว่าการใช้กระจกประมาณ 10 เท่า โปรดทราบว่าบัญชีการออมการปล่อย S2L สำหรับเอฟเฟกต์ที่ไม่ใช่ Co 2 หมายเลขที่กำหนดไว้สำหรับการปล่อยมลพิษของอุตสาหกรรมการบินสำหรับ CO 2 เท่านั้น ความต้องการพื้นที่จริงจะสูงขึ้นหากรวมการปล่อยมลพิษที่ไม่ใช่ Co 2
จัดเก็บป่าระหว่าง 100 และ 500 ตันของคาร์บอนต่อเฮกตาร์ (http://www.fao.org/3/y0900e/Y0900E06.htm) สิ่งนี้แปลเป็น 360-1800 T CO 2 ดูดซับต่อเฮกตาร์ สมมติว่าขอบเขตล่างพื้นที่ที่จำเป็นในการชดเชยการปล่อยการบินหนึ่งปีคือ:
ดังนั้นการปลูกป่าจึงมีประสิทธิภาพในพื้นที่อย่างน้อย 50 เท่ามากกว่าการใช้กระจกและอย่างน้อย 5 เท่าของพื้นที่ประหยัดกว่าโรงงาน S2L ใช้ค่าช่วงบน:
การปลูกป่านั้นมีประสิทธิภาพในพื้นที่มากกว่าโรงงาน S2L มากที่สุด 20 เท่า
ทั้งการปลูกป่าและการผลิตเชื้อเพลิงโดยใช้พลังงานแสงอาทิตย์มีประสิทธิภาพในการป้องกันการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศมากกว่ากระจก การปลูกป่ามีแนวโน้มที่จะมีประสิทธิภาพในพื้นที่มากกว่า S2L ทำให้เป็นสถานการณ์ที่มีประสิทธิภาพมากที่สุด
