mirrors_prevent_climate_change下載mirrors_prevent_climate

mirrors_prevent_climate_change

PowerBuilder

1.0.0

下載

有關正確渲染的公式，請單擊此處：https：//nbviewer.jupyter.org/github/benportner/mirrors_prevent_prevent_climate_change/blob/master/mirrors/mirrors_rf.html

鏡子可以防止氣候變化嗎？比較人造反照率增強與合成燃料生產和造林的氣候影響

作者：本傑明·波特納（Benjamin W.

研究問題

鑑於土地是有限的資源，什麼可以在應對氣候變化方面更有效：反映傳入的陽光或建造合成燃料廠以取代化石燃料的建築鏡子？

輻射強迫鏡子

地球的能源預算

圖像由NASA提供：Loeb等人，J。 Clim2009＆Trenberth等，BAMS，2009年。由Wikipedia提供動力的託管。

引用wikipedia（https://en.wikipedia.org/wiki/solar_constant）：平面物體在一個天文單位（AU）中接收到的太陽能的量定義為太陽常數： $ sigma = 1361 frac {w} {m^2} $ 。即使在太陽的不同活動期間，這個數量也是非常恒定的。由於地球軌道的橢圓形，由於地球大氣層頂部到達地球大氣頂部的實際能量量在1月初的1412 W/m2和1321 W/m2之間變化。太陽常數介紹了地球橫截面所接受的年平均值（ $ pi r_e^2 $ ）。多虧了地球的旋轉，該量擴散在其表面之間（ $ 4 pi r_e^2 $ ）。因此，地球表面上的平均傳入輻射是：

美元

這是上圖中標有“傳入太陽輻射”的量。在340 w/m2中，大約30％被大氣和地球表面反射回太空。該值表示地球的平均反照率（ATMOPHERIC +表面）。另有23％的入射輻射被大氣吸收並重新射入紅外輻射。有效地，186 W/m2（55％）到達地球表面（表面反射之前）。

$ f_ {surface} = 186， frac {w} {m^2} $

平均表面反照率是反射輻射與傳入輻射的比率：

美元

通過使用鏡子，可以增加此值。更多的能量將反映回空間，減少能量將被吸收並變成紅外輻射。因此，增加表面反照率會對氣候產生冷卻作用。在下一節中，我將嘗試量化這種效果。

鏡子的潛力

如前所述，安裝鏡子有效地意味著增加地面表面的反照率。反照率是描述鏡子光反射效率的一個罕見術語。相反，使用了反射率一詞（儘管其定義與反照率相同）。反射率取決於許多因素，例如傳入光的波長，鏡子材料厚度及其元素組成。

圖片由Wikipedia提供：https：//en.wikipedia.org/wiki/file：solar_spectrum_en.svg

上圖顯示了在大氣頂（黃色）和地球表面（紅色）的陽光的光譜成分。顯然，表面上的大多數能量都在可見的和近紅外光譜中攜帶。較小的量落在UV-A和-b範圍內以及IR-B範圍內。理想的鏡子對差異不敏感。實際上，鏡子通常對短波長或長波長敏感。例如，鋁將反映可見到接近粉狀物範圍的85％至90％的光的光線，但其反射率在800至900 nm之間的下降”。另一方面，“只要2000 nm，銀都可以反射到98％或99％的光到波長，但是在波長短於350 nm處的幾乎所有反射率”（https://en.wikipedia.org/wiki/wiki/mirrorrorror #tolerances）。銀可能是我們鏡子的最佳候選人。但是，出於經濟原因，鋁是大規模申請的更可能選擇。考慮到這一點，讓我們假設反射率 $ epsilon_ {mirror} $ 50％

美元

從鏡子反射後，輻射將再次擊中大氣。離開地球的能量通量是由地球大氣的透射率定義的：

美元

可以從第一個圖形近似透射率。在傳入的太陽輻射中，大氣吸收了23％。這種能量將部分重新定位到地球的表面，部分地轉到太空。對於此分析，我認為分佈是50:50。另有23％的傳入太陽輻射反映回空間。因此，從另一側傳來時，相同數量將反映回地球。然後，一小部分將被表面等等重新折射。此金額在這裡忽略了。所有反射的輻射都被視為未傳輸。因此：

美元

插入產量

$ f_ {out} = 61， frac {w} {m^2} $

安裝鏡子後，從地球背到太空反射61 W/m2。安裝之前，由於表面反照率，反射23 w/m2。區別在於我們地球能量平衡的變化：

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

分母中的區域是指鏡子的區域。輻射強迫通常以地球表面積表示。因此，鏡子場的輻射強迫（RF）是：

$ rf = delta f cdot dfrac {a_ {a_ {rigral}} {a_ {arter}} oft oft delta f cdot cdot dfrac {a_ {rigral}}}} {510.1 {510.1

CO ₂的輻射強迫

CO2是一種所謂的溫室氣（GHG）。溫室氣體是短波長輻射的良好發射器，是長波長的輻射吸收器。因此，它們允許以陽光的形式能量到達地球，並防止長波長輻射逸出到空間。得益於這種效果，地球上的平均表面溫度在14°C舒適，而不是凍結-18°C（如果沒有氣氛）（https://en.wikipedia.org/wiki/wiki/greenhouse_effect）。

如果大氣中溫室氣體的濃度升高，地球的溫度也會增加。這種變化可以等效地表示，即傳入（因此，假設平衡）太陽輻射的增加。這就是科學家所說的輻射強迫 $ delta f $ 。為了改變CO ₂濃度，可以通過對數關係（https://en.wikipedia.org/wiki/radiative_forcing）近似輻射強迫。

$ rf， weft [ dfrac {w} {m^2} right] = 5.35 ln left（ dfrac {c} {c_0} {c_0} orirt）= 5.35 ln ln left（ dfrac {

在哪裡 $ C_0 $是以每百萬零件（PPM-V）的體積零件測量的參考濃度。如今，大氣中CO ₂的濃度大約 $ C_0 = 400 $ ppm-v。

現在，讓我們以質量而不是集中度來表達此方程式，以便更容易處理。 CO ₂的一個PPM-V大約對應於2.13 GT碳（https://cdiac.ess-dive.lbl.gov/pns/faq.html）。因此：

$ delta c，[ppm text { - } v] 大約2.13 delta m_ {c}，[gt] 大約7.81 delta m_ {co_2}，[gt] $

插入產量：

$ rf， left [ dfrac {w} {m^2} right] = 5.35 ln bigg（1 + 0.02， delta m_ {co_2} [gt] bigG）$

鏡₂賠償

讓我們利用我們知道的內容來回答一個實用的問題：補償航空部門的CO ₂排放需要哪個鏡子區域？

Aviation Co ₂在2018年的排放量為0.895 GT（https://www.atag.org/facts-figures.html）。但是，並非所有這些CO ₂都增加了輻射強迫。發射的CO ₂的一部分被地球的海洋和植物吸收。過去，大約45％的發射CO ₂停留在大氣中，而55％被吸收（https://earthobservatory.nasa.gov/features/features/carboncycle/page5.php）。因此，大氣CO ₂的增加是：

$ delta m_ {co_2} 大約0.45 cdot 0.895，gt 大約0.4，gt $

相應的輻射強迫構成：

$ rf_ {aviation} = 0.04， dfrac {w} {m^2} $

現在，需要多少鏡像區域來補償此RF？以地球表面百分比表達面積：

$ dfrac {a_ {rigrh}} {a_ {arter}} = - dfrac {rf_ {aviation}} { delta f_ {rigral}} cdot 100％ cdot 100％大約0.1％$

通過用鏡子覆蓋地球表面的0.1％（大約54米km ² ），可以補償航空業2018年度的CO ₂排放量（不考慮非CO ₂效應）。請注意，結果實際上是一個速率。每年都會發出更多的CO ₂ ，需要建造更多的鏡子。

與其他CO ₂的策略進行比較

太陽到液體

Horizon 2020 Sun-to-Liquid（S2L）提出了一條使用濃縮陽光的能量從大氣CO ₂產生噴氣燃料的路徑。從捕獲的CO ₂到燃料的鏈條很長，每個步驟都增加了技術損失和材料要求。因此，出現的問題是：是否值得一路生產燃料，還是只能使用相同的鏡子將太陽輻射回到太空會更有效？

沒有工業植物的迄今為止，因此我的估計是基於克里斯托夫對擴大設計的計算。該工廠每公頃和年生產30,300升燃料。該燃料的生命週期溫室氣體排放量（井井有條）為0.6千克CO _2-燃燒。化石噴氣燃料在其整個生命週期中每升生產約2.9千克CO ₂倍數。那一年的每公頃總節省總額是：

$ delta m_ {s2l} = 30300， dfrac {l} {ha} cdot left（2.9-0.6-0.6 right） dfrac {kg_ {kg_ {co_2-eq}}} {l} {l} {l} {l} {l}

需要哪個領域來補償航空公司的2018年排放？

$ dfrac {a_ {a_ {s2l}} {a_ {art}} = dfrac { delta m_ {co_2}} { delta m_ {s2l} cdot a_ {arter} kg_ {co_2}} {7.0， frac {kg_ {co_2-eq}}} {m^2} {m^2} cdot 510.1 cdot 10^{12} m^2} m^2} m^2} cdot 100％ cdot 100％大約0.01％$

S2L植物的面積高約10倍，比使用鏡子高10倍。請注意，S2L排放儲蓄率是非CO ₂效應的。航空業排放的數量僅佔CO ₂ 。如果包括非CO ₂排放，實際區域需求將更高。