Brevet 5003186 Ensemencement stratosphérique Welsbach pour la réduction du réchauffement climatique
L’invention concerne un procédé pour réduire le réchauffement atmosphérique ou global résultant de la présence de gaz piégeant la chaleur dans l’atmosphère, c’est-à-dire de l’effet de serre. Ces gaz sont relativement transparents au soleil, mais absorbent fortement le rayonnement infrarouge à grande longueur d’onde émis par la terre. Le procédé comprend l’étape d’ensemencement de la couche de gaz piégeant la chaleur dans l’atmosphère avec des particules de matériaux caractérisés par une émissivité dépendante de la longueur d’onde. De tels matériaux comprennent les matériaux Welsbach et les oxydes de métaux qui ont une émissivité élevée (et donc de faibles réflectivités) dans les régions de longueur d’onde visible et infrarouge de 8 à 12 microns.
Ce qui est revendiqué est:
1. Procédé de réduction du réchauffement atmosphérique dû à l’effet de serre résultant d’une couche de gaz dans l’atmosphère qui absorbe fortement le rayonnement de longueur d’onde infrarouge proche, comprenant l’étape de dispersion de minuscules particules d’un matériau à l’intérieur de la couche de gaz, le matériau particulaire étant caractérisé par une émissivité ou une réflectivité dépendante de la longueur d’onde, en ce que ledit matériau a des émissivités élevées par rapport au rayonnement dans les spectres de longueur d’onde visible et infrarouge lointain, et une faible émissivité dans le spectre de longueur d’onde infrarouge proche, de sorte que lesdites minuscules particules fournissent un moyen pour convertir l’énergie thermique infrarouge en rayonnement infrarouge lointain émis dans l’espace.
2. Procédé selon la revendication dans lequel ledit matériau comprend un ou plusieurs des oxydes de métaux.
3. Procédé selon la revendication 1, dans lequel ledit matériau comprend de l’oxyde d’aluminium.
4. Procédé selon la revendication 1, dans lequel ledit matériau comprend de l’oxyde de thorium.
5. Procédé selon la revendication 1, dans lequel lesdites particules sont dispersées en ensemençant la stratosphère avec une quantité desdites particules à des altitudes comprises entre sept et treize kilomètres au-dessus de la surface terrestre.
6. Procédé selon la revendication 1, dans lequel la taille desdites particules est dans la gamme de dix à cent microns.
7. Procédé selon la revendication dans lequel ledit matériau comprend un matériau réfractaire.
8. Procédé selon la revendication 1, dans lequel ledit matériau est un matériau Welsbach.
9. Procédé selon la revendication 1, dans lequel le nombre desdites particules dispersées par unité de surface dans la couche de particules est supérieur ou égal à 1/σabs 1, où 1 est l’épaisseur de la couche de particules et σabs est le coefficient d’absorption des particules. aux longueurs d’onde de l’infrarouge lointain.
10. Procédé de réduction du réchauffement atmosphérique dû à l’effet de serre résultant d’une nappe de gaz à effet de serre, comprenant l’étape suivante :
ensemencement de la couche de gaz à effet de serre avec une quantité de minuscules particules d’un matériau caractérisé par une émissivité ou une réflectivité dépendante de la longueur d’onde, en ce que lesdits matériaux ont des émissivités élevées dans les spectres de longueur d’onde visible et infrarouge lointain et une faible émissivité dans le spectre de longueur d’onde proche infrarouge,
moyennant quoi lesdites particules sont suspendues à l’intérieur de ladite couche de gaz et fournissent un moyen pour convertir l’énergie radiative aux longueurs d’onde de l’infrarouge proche en rayonnement aux longueurs d’onde de l’infrarouge lointain, permettant à une partie du rayonnement converti de s’échapper dans l’espace.
1. Procédé selon la revendication 10, dans lequel ledit matériau comprend un ou plusieurs des oxydes de métaux.
12. Procédé selon la revendication 10, dans lequel ledit matériau comprend de l’oxyde d’aluminium.
13. Procédé selon la revendication 10, dans lequel ledit matériau est de l’oxyde de thorium.
14. Procédé selon la revendication 10, dans lequel ledit ensemencement est effectué à des altitudes comprises entre sept et treize kilomètres au-dessus de la surface terrestre.
15. Procédé selon la revendication 10, dans lequel ledit matériau comprend un matériau réfractaire.
16. Procédé selon la revendication 10, dans lequel ladite taille de particule est dans la plage de dix à cent microns.
17. Procédé selon la revendication 10, dans lequel ledit matériau est un matériau Welsbach.
18. Procédé selon la revendication 10, dans lequel le nombre desdites particules dispersées par unité de surface dans la couche de particules est supérieur ou égal à 1/σabs 1, où 1 est l’épaisseur de la couche de particules et σabs est le coefficient d’absorption des particules. aux longueurs d’onde de l’infrarouge lointain.
La description:
CONTEXTE DE L’INVENTION
La présente invention concerne un procédé de réduction du réchauffement global résultant de l’effet de serre, et en particulier un procédé qui implique l’ensemencement de la stratosphère terrestre avec des matériaux de type Welsbach.
Le réchauffement climatique a été une grande préoccupation de nombreux scientifiques de l’environnement. Les scientifiques pensent que l’effet de serre est responsable du réchauffement climatique. Des quantités considérablement accrues de gaz piégeant la chaleur ont été générées depuis la révolution industrielle. Ces gaz, tels que le CO2, les CFC et le méthane, s’accumulent dans l’atmosphère et permettent à la lumière du soleil de pénétrer librement mais empêchent la chaleur de s’échapper (effet de serre). Ces gaz sont relativement transparents au soleil mais absorbent fortement le rayonnement infrarouge de grande longueur d’onde émis par la terre.
La plupart des approches actuelles pour réduire le réchauffement climatique consistent à limiter la libération de divers gaz à effet de serre, tels que le CO2, les CFC et le méthane. Celles-ci impliquent la nécessité d’établir de nouvelles réglementations et la nécessité de surveiller divers gaz et de faire respecter les réglementations.
Une solution proposée au problème du réchauffement climatique implique l’ensemencement de l’atmosphère avec des particules métalliques. Une technique proposée pour ensemencer les particules métalliques consistait à ajouter les minuscules particules au carburant des avions de ligne à réaction, de sorte que les particules soient émises par l’échappement du moteur à réaction pendant que l’avion de ligne était à son altitude de croisière. Alors que cette méthode augmenterait la réflexion de la lumière visible incidente depuis l’espace, les particules métalliques piégeraient le rayonnement du corps noir à longue longueur d’onde émis par la terre. Cela pourrait entraîner une augmentation nette du réchauffement climatique.
C’est donc un but de la présente invention de proposer un procédé de réduction du réchauffement global dû à l’effet de serre qui permet à la chaleur de s’échapper à travers l’atmosphère.
RÉSUMÉ DE L’INVENTION
L’invention concerne un procédé pour réduire le réchauffement atmosphérique dû à l’effet de serre résultant d’une couche de gaz à effet de serre. Le procédé comprend l’étape d’ensemencement de la couche de gaz à effet de serre avec une quantité de minuscules particules de matériaux caractérisés par une émissivité ou une réflectivité dépendante de la longueur d’onde, en ce que lesdits matériaux ont des émissivités élevées dans les régions de longueur d’onde du visible et de l’infrarouge lointain et une faible émissivité dans le proche infrarouge. région de longueur d’onde. De tels matériaux peuvent inclure la classe de matériaux connue sous le nom de matériaux Welsbach. Les oxydes de métal, par exemple l’oxyde d’aluminium, conviennent également à cet effet. La couche de gaz à effet de serre s’étend généralement entre environ sept et treize kilomètres au-dessus de la surface de la terre. L’ensemencement de la stratosphère se produit dans cette couche. Les particules en suspension dans la stratosphère à la suite de l’ensemencement fournissent un mécanisme pour convertir le rayonnement du corps noir émis par la terre aux longueurs d’onde du proche infrarouge en rayonnement dans le visible et l’infrarouge lointain afin que cette énergie thermique puisse être renvoyée dans l’espace, ce qui réduire le réchauffement climatique dû à l’effet de serre.
DESCRIPTION BRÈVE DES DESSINS
Ces caractéristiques et avantages ainsi que d’autres de la présente invention deviendront plus évidents à partir de la description détaillée suivante d’un exemple de mode de réalisation de celle-ci, comme illustré dans les dessins annexés, dans lesquels :
FIGUE. 1 illustre un modèle du phénomène de piégeage de la chaleur, c’est-à-dire l’effet de serre.
FIGUE. 2 est un graphique illustrant l’intensité de la lumière solaire incidente sur la terre et du rayonnement du corps noir de la terre en fonction de la longueur d’onde.
FIGUE. 3 est un graphique illustrant une émissivité idéale en fonction de la fonction de longueur d’onde pour le matériau particulaire souhaité.
DESCRIPTION DETAILLEE DU MODE DE REALISATION PREFERE
FIGUE. La figure 1 montre un modèle du phénomène de piégeage de la chaleur (effet de serre). On suppose que les gaz à effet de serre sont concentrés à des altitudes comprises entre y=0 (à une certaine altitude Y1, au-dessus de la surface terrestre) et y=1. Indépendamment du rayonnement solaire réfléchi dans l’espace, i1 et i2 désignent les énergies solaires à courte longueur d’onde qui sont respectivement absorbées par la surface de la Terre et les gaz à effet de serre. Les données disponibles montrent que i1 =0,45 isol et i2 =0,25 isol, où isol est le flux total du soleil. La lumière du soleil à courte longueur d’onde réchauffe les gaz à effet de serre et la surface de la terre, et cette énergie est finalement reradiée dans la région infrarouge à grande longueur d’onde.
FIGUE. 2 est un graphique illustrant l’intensité de la lumière solaire et le rayonnement du corps noir terrestre en fonction de la longueur d’onde. Comme illustré, environ 30 % de l’énergie solaire se situe dans le proche infrarouge. Le rayonnement terrestre du corps noir, en revanche, se situe dans la longueur d’onde de l’infrarouge lointain.
En se référant à nouveau à la Fig. 1, Is, I+, I-, Ig et Ie représentent les flux dans le domaine de longueur d’onde infrarouge, où Is et Ig sont les flux rerayonnés par les gaz à effet de serre vers le ciel et le sol, respectivement ; Ie est le flux réirradié par la terre ; et I+ et I- sont des flux dans les gaz rayonnant vers l’espace et le sol, respectivement. I+ et I- sont des fonctions de y, par exemple, I+ (0) est le flux I+ à y=0. En considérant les principes de conservation d’énergie et de continuité aux frontières, on obtient les relations suivantes : Is =i1 +i2 (1) Is =I+ (1)(1-Rl) (2) I- (1)=I+ (1)Rl (3) I+ (0)=I- (0)Ro +Ie (1-Ro) (4) Ig =I- (0)(1-Ro)+Ie Ro (5) Ie =IBB (Te)(1 -R)+Ig R (6) Ie =i1 +Ig (7)
où Ro, Rl et R sont les réflectivités aux bornes y=0 et y=1 et à la surface de la terre. IBB (Te) est le flux de rayonnement du corps noir à la température terrestre Te. Dans la couche des gaz à effet de serre, les équations énergétiques sont (dI+ /dy)=IBB (Tg)-αI+ (8) -(dI- /dy)=IBB (Tg)-αI- (9)
où IBB (Tg) est le flux de rayonnement du corps noir à la température Tg des gaz à effet de serre, et α est le coefficient d’absorption des gaz. Les solutions des équations 8 et 9 sont données par les équations 10 et 11 : I+ (y)=(IBB /α)+Ceαy (10) I- (y)=(IBB /α)+De+αy (11)
Pour illustrer les effets de Ro et Rl sur l’effet de serre, on considère le cas extrême où une forte concentration de gaz à effet de serre a une forte absorption dans le domaine infrarouge ; c’est-à-dire que pour y = 1, e-αl tend vers 0. Ensuite, en utilisant les équations 3 et 4, les relations des équations 12 et 13 sont obtenues. C=(Ie -(IBB /α))(1-Ro) (12) D=0
D’après les équations 5 et 7, Ie =i1 +I- (0)(1-Ro)+Ie Ro,
ou Ie =(i1 /(1-Ro))+(IBB /α). (14)
A partir des équations 2 et 1, Is =(IBB /α)(1-Rl)=i1 +i2,
ou (IBB /α)=(i1 +i2)/(1-Rl). (15)
En combinant les équations 14 et 15, la relation de l’équation 16 est obtenue. Soit =i1 /(1-Ro)+(i1 +i2)/(1-Rl)(16)
Enfin, l’équation 6 donne le rayonnement du corps noir de la surface terrestre en fonction de i1 et i2 et des trois réflectivités : Ie =IBB (Te)(1-R)+(Ie -i1)R IBB (Te)=Ie +(R /(1-R))i1
ou IBB (Te)=i1 /(1-Ro)+(i1 +i2)/(1-Rl)+(R/(1-R))i1 (17)
Pour obtenir une température de la terre plus basse (en considérant i1, i2 et R comme des constantes), il est souhaitable de rendre R et Rl aussi petits que possible.
Les matériaux réfractaires connus ont une fonction d’émissivité thermique fortement dépendante de la longueur d’onde. Par exemple, les matériaux peuvent avoir une émissivité (et une absorption) élevée aux longueurs d’onde de l’infrarouge lointain, une émissivité élevée dans la gamme des longueurs d’onde visibles et une très faible émissivité aux longueurs d’onde intermédiaires. Si un matériau ayant ces caractéristiques d’émissivité et un corps noir sont exposés à une énergie IR d’égale intensité, le radiateur thermique sélectif émettra un rayonnement visible avec une efficacité plus élevée (si le refroidissement par rayonnement prédomine), c’est-à-dire que le radiateur thermique sélectif apparaîtra plus lumineux que le noir corps. Cet effet est connu sous le nom d’effet Welsbach et est largement utilisé dans les manteaux de lanternes à gaz commerciales.
Les matériaux Welsbach ont la caractéristique d’une émissivité (ou réflectivité) dépendante de la longueur d’onde. Par exemple, l’oxyde de thorium (ThO2) a des émissivités élevées dans les régions visible et IR lointain, mais il a une faible émissivité dans la région IR proche. Ainsi, conformément à l’invention, la couche de gaz à effet de serre est ensemencée avec des matériaux de type Welsbach ou de type Welsbach qui ont des émissivités élevées (et donc l
ow réflectivités) dans les domaines visible et infrarouge 8-12 micromètres, ce qui a pour effet de réduire Ro et Rl tout en n’introduisant aucun effet dans le domaine visible.
Un matériau souhaité pour l’ensemencement stratosphérique a un coefficient de réflexion proche de l’unité pour le rayonnement IR proche, et un coefficient de réflexion proche de zéro (ou une émissivité proche de l’unité) pour le rayonnement IR lointain. FIGUE. 3 est un graphique illustrant une émissivité idéale en fonction de la fonction de longueur d’onde pour le matériau souhaité. Une autre classe de matériaux ayant la propriété souhaitée comprend les oxydes de métaux. Par exemple, l’oxyde d’aluminium (Al2O3) est un oxyde métallique adapté à cet effet et qui est relativement peu coûteux.
On pense actuellement que des tailles de particules dans la plage de dix à cent microns conviendraient à des fins d’ensemencement. Les particules plus grosses auraient tendance à se déposer plus rapidement sur la terre.
Les particules dans la plage de taille requise peuvent être obtenues avec des procédés classiques de broyage et de maillage.
On pense que le nombre de particules nd par unité de surface dans la couche de particules doit être défini par l’équation 18 : nd 1≥1/σabs (18)
où 1 est l’épaisseur de la couche de particules et σabs est le coefficient d’absorption des particules aux grandes longueurs d’onde IR. Une estimation brute de la densité des particules est donnée par l’équation (19) : nd 1≥(cmw)/(4πe2) (19)
où c est la vitesse de la lumière, m est la masse moyenne des particules, e est la charge électronique et w est la largeur de la raie d’absorption en sec-1.
Les gaz à effet de serre se trouvent généralement dans la stratosphère terrestre à une altitude de sept à treize kilomètres. Ceci suggère que l’ensemencement des particules doit être fait à une altitude de l’ordre de 10 kilomètres. Les particules peuvent être ensemencées par dispersion à partir d’avions d’ensemencement ; une technique exemplaire peut être via le carburéacteur comme suggéré par des travaux antérieurs concernant les particules métalliques. Une fois que les minuscules particules ont été dispersées dans l’atmosphère, les particules peuvent rester en suspension jusqu’à un an.
Il est entendu que le mode de réalisation décrit ci-dessus est simplement illustratif des modes de réalisation spécifiques possibles qui peuvent représenter les principes de la présente invention. D’autres agencements peuvent facilement être imaginés selon ces principes par l’homme du métier sans s’écarter de la portée et de l’esprit de l’invention.