WO2008104568A1 - Timed control of the global radiation balance to influence and control the climate and weather - Google Patents

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WO2008104568A1
WO2008104568A1 PCT/EP2008/052384 EP2008052384W WO2008104568A1 WO 2008104568 A1 WO2008104568 A1 WO 2008104568A1 EP 2008052384 W EP2008052384 W EP 2008052384W WO 2008104568 A1 WO2008104568 A1 WO 2008104568A1
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albedo
earth
radiation
night
climate
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Stefan Brosig
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Stefan Brosig
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    • AHUMAN NECESSITIES
    • A01AGRICULTURE; FORESTRY; ANIMAL HUSBANDRY; HUNTING; TRAPPING; FISHING
    • A01GHORTICULTURE; CULTIVATION OF VEGETABLES, FLOWERS, RICE, FRUIT, VINES, HOPS OR SEAWEED; FORESTRY; WATERING
    • A01G15/00Devices or methods for influencing weather conditions

Definitions

  • the invention relates to the influence of climate and weather, with the noticeable
  • Carbon dioxide, methane for heating the lower layers of the atmosphere. Although these gases allow the incident sunlight up to
  • the heat radiation will thus be held close to the earth's surface for a long time, before being finally reintroduced by non-directional absorption and emission into the earth's surface
  • a sub-field of geoengineering also deals with means by which the incidence of solar radiation or its absorbed portion is artificially influenced. For example, thoughts on influencing the albedo, the light thrown back from the earth's surface into space, by means of light-absorbing or - repelling / scattering materials (as the earth's surface is defined, which from the universe vertically from above is visible.) Or it is in An earth orbit placed large mirrors that allow to regulate the solar radiation to the earth by either reduce it to achieve a cooling, or enlarge it to one
  • the object of the invention is a method and a device that allows the climate and weather more favorable and above all to regulate in the short term influenced.
  • An essential feature of the invention is the time-dependent control of the reflection / light scattering and absorption of near-surface surfaces substantially in a day / night rhythm.
  • the invention uses for this purpose the Kirchhoff radiation law.
  • the (time-averaged) total energy of the earth in space is completely independent of whether the earth would be black, completely mirrored or designed differently. It is also independent of whether the earth has no atmosphere or one of pure carbon dioxide or other greenhouse gases.
  • the total energy emission of the earth depends only on the solar radiation received from the sun (solar constant, the matter flow from the sun and the heat flow from the glowing interior, which is led very badly upwards, are negligible as energy sources).
  • is also the absorption coefficient of a gray radiator. It indicates what percentage of the incident light is absorbed by it. And it also indicates how many percent of thermal radiation it emits per unit of time, compared to an ideal black emitter of the same temperature. At equilibrium, absorption and emission coefficients are the same! Good absorbers ("black bodies”) are also good emitters, bad absorbers (mirrored or white bodies) are also bad emitters. (The law also applies in very good approximation to bodies that are not in thermal equilibrium.)
  • Case 1 is the ideal state of a closed system in which two bodies E and S of different temperature T E and T s are to be located within a 100% totally reflecting massless shell at time ti, where T s is greater than T E.
  • body E The surface of the body E is almost totally reflecting (ie, the absorption coefficient ⁇ E is slightly larger than 0).
  • body S an ideal black body (ie, ⁇ s is exactly
  • Both bodies emit radiation in accordance with Planck's radiation law.
  • the black body S with higher temperature and higher ⁇ much more than the mirrored body E.
  • Case 2 is the case of an unfinished system in which two nonrotating bodies E and S are at a distance from each other.
  • Body E has the shape of a thin spherical shell and its surface is gray (gray radiator) with a (wavelength independent) absorption and emissivity of 0.3 compared to a black body.
  • the material of the body E is poorly heat-conducting.
  • Body E has a radius of 6.37 * 10 6 meters (earth radius).
  • body E Starting from body S, body E achieves a radiant power of 1367 watts per square meter of vertical area (average solar constant, outside the earth's atmosphere). Since the distance from body S to body E is very large compared to the diameters of the two bodies, its rays are practically parallel in the vicinity of body E.
  • the surface of the body E is poorly heat-conducting and also a hollow sphere, so that no heat can flow into the interior, it heats up stronger and faster at the location where the radiation meets perpendicular to the surface than where the radiation is inclined incident.
  • Case 3 is the case of a "leisurely” (ie earth-like) about a rotation axis through the poles rotating ball-shelled body E, wherein the axis of rotation is perpendicular to the radiation incidence.
  • Case 4 is an extension of Case 3 incorporating a mobile gravitational fluid (atmosphere, oceans) over the surface of the body E, the fluid being transmissive to all wavelengths, that is, an absorbance and absorption
  • the fluid then exchanges energy only by contact (collision of its particles) with the warm surface of body E and transports it by convection (slightly by diffusion) on.
  • the fluid leads, via weather-like processes, to a transport of heat from low to high latitudes, and thus tends to bring about an approximation of the surface temperatures between the poles and the equator.
  • the total radiation of energy of the body E continues to be just as great as the quantity irradiated! (It must be, otherwise the laws of thermodynamics would be violated!) But the radiation emission is distributed differently across the surface, more even, because the temperatures are also more uniform.
  • the fluid itself does not emit or absorb radiation, while having a temperature due to contact with the hot surface, it also contains (as it has a heat capacity) an amount of heat removed from the surface, but it does not contribute Radiation at.
  • the heat exchange of the surface of E with the fluid leads to a slower change in the
  • Case 5 is similar to Case 4, but this time with a fluid that is a highly transparent gray emitter that absorbs a small portion of the incident radiation before it reaches the surface of E and that also absorbs some of the radiated heat radiation before she disappears outwards (into space). Without rotation of the body E and without convection of the fluid and without heat transfer by impacts of fluid particles reached both the fluid, and the surface of E after "infinitely" long time dependent only on the radiation intensity at each location equal equilibrium temperature.
  • the fluid is a gas which is responsible for the incident radiation (or the predominant
  • Heat transfer by collisions of gas particles is indeed the average over a long time total irradiation equal to the averaged, emitted by the body E by an imaginary envelope surface radiation.
  • the temperature distribution that results in this overall radiation is much more complicated at the surface and in the fluid: the illuminated surface of E is warmer than the gas above it.
  • the gas is also warmer than surface before reaching a state of equilibrium near the surface, because it absorbs the heat radiation practically completely before it can reach greater heights.
  • the lower gas layers heat up faster than the upper ones.
  • the invention proposes a trick (sort of a "macroscopic")
  • the invention provides as a first measure to install on or near the earth's surface a layer of strong echtsttredem or, preferably, highly reflective material, so, as it was previously proposed to the albedo of
  • Reflecting surfaces are particularly favorable because, when the sun is high, when most of the energy is incident on the surface unit of the earth's surface, they can bring the light out of the atmosphere on the shortest path, whereby less of it is absorbed in the atmosphere.
  • the stray light which is e.g. of white areas (e.g., magnesia, titania)
  • the low angle scattered portion travels a very long distance through layers of air, and therefore, more energy is transferred to the air or impurities from that portion.
  • the invention proposes as an essential additive a timed control of the albedo: For the purpose of cooling during the day (or during a large part of the day when the irradiation is particularly strong), the albedo of the earth's surface increases, so that less solar radiation absorbs from it and heat stored in near-surface (in the surface itself and overlying layers of air) is converted, and at night (or during much of the night) the albedo is reduced so that the absorbed and converted into heat
  • Radiation energy is emitted as heat radiation amplified. This leads to a total cooling of the soil and the atmosphere.
  • the method is particularly effective in direct sunshine, less effective in overcast skies: Here already reflect the clouds a large part of the incoming sunlight back into space.
  • the albedo of the earth's surface is reduced during the day so that more radiation is absorbed by it and converted into near-surface heat (in the soil material and overlying layers of air), and at night becomes the albedo so that the absorbed and heat-converted radiant energy is retained, resulting in total warming of the earth's surface and the atmosphere.
  • the albedo is controlled by increasing and decreasing the solar radiation reflecting or scattering areas that are at or above the earth's surface (land or water): During the day, the reflecting / scattering surfaces are enlarged, at night their area is reduced. Essential here is the effective for the irradiation and radiation surface. (The mechanical control is preferably powered by solar energy, for example via solar cells.) Self-regulating drives by means of shape memory alloys are also conceivable.)
  • the albedo of the natural surface of the earth varies from about 0.05 for water, about 0.1 to 0.25 for forest and meadow, 0.3 for desert up to 0.9 for freshly fallen snow. (Due to the high albedo of snow, covering snow-covered areas during the day with a slightly more reflective medium makes less sense.)
  • snow is not a gray absorber and emitter, but one more selective: it absorbs and radiates well in the infrared, which is why the air at night cools down over snow surfaces in clear skies!
  • the change of the effective reflecting or scattering surface above the natural surface of the earth can be achieved by different measures: mirrored or strongly scattering ("white") surfaces which are set up parallel to the earth during the day and folded / rotated at night into an approximately vertical position Especially with mirrored surfaces, a variant is more effective (but also more elaborate) in which the mirrors following the position of the sun are controlled so that they are exactly perpendicular to the incoming light thrown back through the thinnest layer of air back into space or, in cloudy weather, through cloud gaps.There is then the lowest possible absorption or scattering in the atmosphere.
  • the mirrored or scattering surfaces can also folded at night or pushed together into a stack which exposes the underlying earth's surface.
  • the mirrored or light-scattering surface can also be rolled up into a roll at night.
  • very inexpensive reflective or light scattering equipped films can be used, which indeed have a slightly lower albedo, but because cheap, can cover a much larger area at the same cost.
  • the rolling (machine or by a spring force, such as a roller blind) is preferably done in a protective housing inside. This also allows protection during the day, if the weather (sandstorms or the like) requires it.
  • protective boxes are advantageous for vertical positions at least surface covers for the reflective / light-scattering surfaces.
  • solar thermal power plants according to the invention for generating electrical energy, in which many mirrors are controlled to focus light together on a focal point (usually in a tower), at the same time for a Klimaabksselung use by in the absence of sunlight (mainly at night) the mirror so be provided, the maximum radiation of heat radiation from the earth's surface is possible.
  • a particularly easy-to-implement variant of the invention are motor vehicles that are coated with a paint with high reflectivity or scattering power when they are parked in the sun over a lower albedo during the day and in the garage at night. This corresponds to the mirrors that are removed at night.
  • motor vehicles parked on the side of the road or in parking lots occupy a not inconsiderable proportion of the city area during the day. If they disappear from the city in the evening and / or are housed in garages, the underlying dark asphalt is exposed and can radiate its warmth.
  • vehicles with a paint that has a lower reflectivity than the substrate on which they are parked black and dark paint
  • the invention gives humanity the necessary time to eliminate the causal problems of climate change without, in the meantime, suffering its devastating consequences. It allows the earth to be kept in an artificially regulated state of equilibrium that is far from what would be expected if the albedo were not regulated in an innovative way. It also makes it possible to regulate this equilibrium state very quickly! Temperature changes take place within minutes if the radiation budget is changed, as anyone who has already witnessed a solar eclipse knows.
  • the invention can also be used very well for changing the climate of other planets or moons that are to be made habitable for humans.
  • the planet should be heated.
  • the albedo of the planet is regulated so that it is reduced during the day and increased at night.
  • the surface or parts of it are mirrored, whereby the heat absorbed on the Marst day is retained under the mirror layer, as in a thermos bottle.
  • the Martian surface would be populated with night-mirrored or generally thermally insulated "greenhouses".

Landscapes

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Abstract

The invention relates to a timed control of the albedo (reflection power) of the earth's surface, following a daylight cycle. Strongly reflecting or scattering surfaces (high albedo, poor absorber) arranged over a surface are removed, moved or reduced in size at night such that the material beneath of low albedo (good absorber) can irradiate the heat thereof into space. Said device uses the so-called Kirchhoff law of radiation according to which the degree of absorption and degree of emission are the same in thermal equilibrium. Good absorbers are also good emitters, poor absorbers are poor emitters. (The law is also in close approximation true for bodies which are not in thermal equilibrium). Strong cooling effects can be achieved by using said method over large contiguous surfaces. Using many small reflecting surfaces at a distance from each other the total cooling is less but the surfaces underneath receive some sunlight at certain times due to the motion of the sun in the sky (important for agricultural use). This cooling can rapidly be achieved in contrast to the effects as a consequence of reductions in emissions of greenhouse gases. The invention also permits individual countries or groups of countries to locally stabilise their climates should other countries not sufficiently reduce the elevated emissions of greenhouse gases adequately or even continue therewith. The invention also permits the countering of a strong cooling of the globe ('ice age'), wherein in contrast the albedo is reduced during the day and increased at night. This leads to a daytime increase in radiation absorption and hence a warming of the surface and a retention of the heat during the night.

Description

TITEL: Zeitgesteuerte Regelung des Strahlungshaushaltes der Erde zur TITLE: Timed control of the Earth's radiation budget
Beeinflussung und Steuerung des Klimas und des WettersInfluence and control of the environment and the weather
BESCHREIBUNGDESCRIPTION
Technisches Gebiet Die Erfindung betrifft die Beeinflussung von Klima und Wetter, die mit der spürbarenTechnical field The invention relates to the influence of climate and weather, with the noticeable
Zunahme der Erwärmung der Erde in jüngster Zeit höchsten Stellenwert genießt.Increasing warming of the earth enjoys the highest priority in recent times.
Hungersnote durch Trockenheit und Ausdehnung von Wüsten und großräumigeFamine by dryness and expansion of deserts and large-scale
Fluchtbewegungen von Bevölkerungsgruppen aufgrund eines Anstiegs desEscape movements of population groups due to an increase in population
Meeresspiegels (hauptbetroffen z.B. Bangladesch und viele Inselbevolkerungen, aber auch China) sind nur einige der drohenden Szenarien. Von den meisten Wissenschaftlern wird in der Zwischenzeit der Anstieg der Konzentrationen klimaerwarmender Gase (z.B.Sea levels (mainly affected by Bangladesh and many island populations, but also China) are just a few of the impending scenarios. In the meantime, most scientists are aware of the increase in the concentrations of climate-warming gases (e.g.
Kohlendioxid, Methan) für die Erwärmung der unteren Luftschichten der Atmosphäre verantwortlich gemacht. Diese Gase lassen zwar das einfallende Sonnenlicht bis zurCarbon dioxide, methane) for heating the lower layers of the atmosphere. Although these gases allow the incident sunlight up to
Erdoberfläche durchdringen (sie haben ein „Fenster" im Spektralbereich des sichtbaren Lichtes), nicht aber die langerwellige Wärmestrahlung, die von der nach Absorbtion derPenetrate the earth's surface (they have a "window" in the spectral range of the visible light), but not the long-wave heat radiation, which differs from that after absorption of the
Lichtenergie erwärmten Erdoberfläche wieder emittiert wird, nach oben schnell genug entweichen Die Wärmestrahlung wird somit lange in der Nähe der Erdoberfläche festhalten, bevor sie durch ungerichtete Absorbtion und Emission letztendlich wieder insThe heat radiation will thus be held close to the earth's surface for a long time, before being finally reintroduced by non-directional absorption and emission into the earth's surface
Weltall entweichen kann („Treibhaus-Effekt"). Der Weltklimarat der UNO (IPCC, Intergovernmental Panel on Climate Change) gibt im dritten Teil seiner 2007-er Studie der Menschheit noch bis spätestens zum Jahr 2020 Zeit, das Ruder so weit herumzureißen, daß eine große und unumkehrbare Katastrophe verhindert werden kann.The UN IPCC (Intergovernmental Panel on Climate Change), in the third part of its 2007 study of humankind, will give mankind time to turn the tide until 2020 at the latest a major and irreversible disaster can be prevented.
Die geschätzten Kosten hierfür belaufen sich auf 16 Billionen US-Dollar. Diese gewaltige Summe wird für eine Verringerung des Ausstoßes der Treibhausgase auf ein Niveau gefordert, bei der es dann „nur" zu einer weiteren Erwärmung um 2 Grad käme. Mit dieserThe estimated cost of this is $ 16 trillion. This huge sum is demanded for a reduction of the emission of the greenhouse gases to a level, with which then "only" to a further warming by 2 degrees would come
Summe wäre also nicht einmal das heutige Klima stabilisiert!So sum would not even stabilize today's climate!
Stand der Technik Unter dem Begriff Geo-Engineering werden Methoden zur großräumigenState of the art The term geo-engineering is used for large-scale methods
Klimabeeinflussung zusammengefaßt. Ein Teilgebiet des Geo-Engineering befaßt sich auch mit Mitteln, durch die der Einfall der Sonnenstrahlung oder deren absorbierter Anteil künstlich beinflußt wird. Bekannt sind z B Gedanken zur Beeinflussung der Albedo, des von der Erdoberfläche in den Weltraum zurückgeworfenen Lichtes, durch lichtabsorbierende oder - zuruckwerfende/-streuende Materialien (Als Erdoberfläche sei definiert, was aus dem Weltall senkrecht von oben sichtbar ist.) Oder es werden in einer Erdumlaufbahn große Spiegel plaziert, die die Sonneneinstrahlung auf die Erde zu regeln gestatten, indem sie sie entweder verringern, um eine Abkühlung zu erreichen, oder sie vergrößern, um eineClimate influence summarized. A sub-field of geoengineering also deals with means by which the incidence of solar radiation or its absorbed portion is artificially influenced. For example, thoughts on influencing the albedo, the light thrown back from the earth's surface into space, by means of light-absorbing or - repelling / scattering materials (as the earth's surface is defined, which from the universe vertically from above is visible.) Or it is in An earth orbit placed large mirrors that allow to regulate the solar radiation to the earth by either reduce it to achieve a cooling, or enlarge it to one
Erwärmung zu bewirken.Cause warming.
Ein neuer Vorschlag (R. Angel, PNAS, vol. 103, no. 46, 17184-17189, 14.1 1.2006) hierzu sieht vor, das auf die Erde einfallende Sonnenlicht um 1 ,8% abzuschwächen, indem am inneren Lagrange-Punkt L1 zwischen Sonne und Erde (ungefähr 1 ,5 Millionen Kilometer von der Erde) ungefähr 16 Billionen Scheibchen eines lichtablenkenden Materials plaziert würden. Der Kostenpunkt nach Optimierung : mehrere Billionen US-Dollar. BerechneterA new proposal (R. Angel, PNAS, vol 103, no. 46, 17184-17189, 14.1 1.2006) proposes to reduce the sunlight incident to the earth by 1, 8% by interposing the inner Lagrangian point L1 between Sun and Earth (about 1.5 million kilometers from Earth) would place about 16 trillion slices of a light-deflecting material. The cost after optimization: several trillion dollars. calculated
Zeitraum bis zur Montage: 25 Jahre.Period until installation: 25 years.
Andere Ideen sind schwimmende lichtreflektierende Kunststoffscheiben auf den Ozeanen oder weiße Plastikplanen in den Wüsten, um die Albedo (Rückstrahlung ins All) zu erhöhen.Other ideas include floating light reflecting plastic discs on the oceans or white plastic tarpaulins in the deserts to increase the albedo (return to space).
Wieder andere Vorschläge sehen die Erzeugung von künstlichen Aerosolen in hohenStill other proposals see the production of artificial aerosols in high
Luftschichten vor.Air layers before.
Nachteile der beschriebenen Lösungen sind enorme Kosten, geringe Effektivität und/oder die Unmöglichkeit, die ausgelösten Veränderungen rückgängig machen zu können.Disadvantages of the described solutions are enormous costs, low effectiveness and / or the impossibility to undo the triggered changes.
Aufgabe der ErfindungObject of the invention
Aufgabe der Erfindung ist ein Verfahren und eine Vorrichtung, die das Klima und Wetter günstiger und vor allem auch kurzfristig beeinflußbar zu regeln gestattet.The object of the invention is a method and a device that allows the climate and weather more favorable and above all to regulate in the short term influenced.
Darstellung der ErfindungPresentation of the invention
Die Aufgabe wird durch die im Kennzeichen der Ansprüche 1 und 7 angegebenenThe object is achieved by that specified in the characterizing part of claims 1 and 7
Merkmale gelöst.Characteristics solved.
Wesentliches Kenzzeichen der Erfindung ist die zeitabhängige Steuerung der Reflexion/Lichtstreuung und Absorbtion von erdoberflächennahen Flächen im wesentlichen in einem Tag-/Nachtrhythmus.An essential feature of the invention is the time-dependent control of the reflection / light scattering and absorption of near-surface surfaces substantially in a day / night rhythm.
Die Erfindung nutzt hierzu das Kirchhoffsche Strahlungsgesetz aus.The invention uses for this purpose the Kirchhoff radiation law.
Nächster Stand der Technik sind die beschriebenen weißen Plastikplanen aufNext state of the art are the described white plastic tarpaulins
Wüstenboden. Durch diese wird eine konstante (!) Albedo erzeugt, die höher liegt, als diejenige des ursprünglichen Wüstenbodens.Desert soil. This creates a constant (!) Albedo that is higher than that of the original desert floor.
Diese höhere Albedo führt zwar zu einer geringeren Absorbtion von Sonnenlicht im erdoberflächennahen Bereich und einer erhöhten Rückstrahlung von Sonnenlicht in denAlthough this higher albedo leads to a lower absorption of sunlight in the near-surface area and increased reflection of sunlight in the
Weltraum. Die weiße Fläche erhitzt sich nämlich tagsüber weniger als eine dunklere oder rauhere Fläche, z.B. der natürliche Wüstenboden. In der Nacht kehrt sich jedoch der Effekt um! Die weiße Fläche strahlt weniger Wärme in den Weltraum ab, als eine dunklere oder sogar schwarze von gleicher Temperatur es tun würde! Dies ist eine Aussage des Kirchhoffschen Strahlungsgesetzes, da sonst ein Perpetuum mobile zweiter Art konstruiert werden könnte, was einer Verletzung des zweiten Hauptsatzes der Thermodynamik gleichkäme.Space. The white surface heats up during the day less than a darker or rougher surface, such as the natural desert soil. At night, however, the effect is reversed! The white area radiates less heat into space than a darker or even black of the same temperature would do! This is a statement of Kirchhoff's law of radiation, since otherwise a perpetual motion of the second kind could be constructed, which would amount to a violation of the second law of thermodynamics.
Von daher ist auch die (zeitlich gemittelte) Gesamtenergieabstrahlung der Erde im Weltraum völlig unabhängig davon, ob die Erde schwarz, gänzlich verspiegelt oder beliebig anders gestaltet wäre. Sie ist auch unabhängig davon, ob die Erde keine Atmosphäre hat oder eine aus reinem Kohlendioxid oder anderen Treibhausgasen. Die Gesamtenergieabstrahlung der Erde hängt nur von der von der Sonne empfangenen Sonnenstrahlung ab (Solarkonstante; der Materiestrom von der Sonne und der Wärmestrom aus dem glühenden Erdinneren, der nur sehr schlecht nach oben geleitet wird, sind demgegenüber als Energiequellen vernachlässigbar).Therefore, the (time-averaged) total energy of the earth in space is completely independent of whether the earth would be black, completely mirrored or designed differently. It is also independent of whether the earth has no atmosphere or one of pure carbon dioxide or other greenhouse gases. The total energy emission of the earth depends only on the solar radiation received from the sun (solar constant, the matter flow from the sun and the heat flow from the glowing interior, which is led very badly upwards, are negligible as energy sources).
Trotzdem kann aber die Temperaturverteilung in den Luftschichten völlig verschieden sein. Treibhausgase führen zu einer Erwärmung der erdnahen Atmosphäre, müssen aber an anderer Stelle eine Abkühlung bewirken, um die Gesamtabstrahlungsbilanz auszugleichen. Dies ist auch, was man beobachtet: Während die Erdatmosphäre in den letzten Jahrzehnten immer wärmer wird, kühlt sich gleichzeitig die hochliegende Stratosphäre ab.Nevertheless, the temperature distribution in the air layers can be completely different. Greenhouse gases lead to a warming of the near-Earth atmosphere, but must cause cooling elsewhere to compensate for the overall radiation balance. This is also what one observes: While the Earth's atmosphere in the last decades is getting warmer and warmer, the high-lying stratosphere cools down at the same time.
Die ganze Betrachtung wird dadurch verkompliziert, daß die meisten Stoffe keine sogenannten „grauen Strahler" sind. Darauf soll aber erst am Ende eingegangen werden. Am Grundprinzip der Erfindung ändert sich dadurch nichts.The whole consideration is complicated by the fact that most substances are not so-called "gray emitters." But this will only be discussed at the end, and nothing changes in the basic principle of the invention.
Sogenannte „Graue Strahler" weisen ein temperaturabhängiges Emissionsspektrum auf wie ein „schwarzer Strahler" gleicher Temperatur, wobei aber bei jeder Wellenlänge deren Intensität im Spektrum mit einem konstanten Faktor α zu multiplizieren ist. α ist auch gemäß Kirchhoffschem Strahlungsgesetz der Absorbtionskoeffizient eines grauen Strahlers. Er gibt an, wieviel Prozent des einfallenden Lichtes von ihm absorbiert werden. Und er gibt eben auch an, wieviel Prozent an Wärmestrahlung er, verglichen mit einem idealen schwarzen Strahler gleicher Temperatur, pro Zeiteineit abgibt. Im Gleichgewicht sind Absorbtions- und Emissionskoeffizient gleich! Gute Absorber („schwarze Körper") sind auch gute Emitter, schlechte Absorber (verspiegelte oder weiße Körper) sind auch schlechte Emitter. (Das Gesetz gilt auch in sehr guter Näherung für Körper, die sich nicht im thermischen Gleichgewicht befinden.)So-called "gray emitters" have a temperature-dependent emission spectrum like a "black emitter" of the same temperature, but at each wavelength their intensity in the spectrum is to be multiplied by a constant factor α. According to Kirchhoff's law of radiation, α is also the absorption coefficient of a gray radiator. It indicates what percentage of the incident light is absorbed by it. And it also indicates how many percent of thermal radiation it emits per unit of time, compared to an ideal black emitter of the same temperature. At equilibrium, absorption and emission coefficients are the same! Good absorbers ("black bodies") are also good emitters, bad absorbers (mirrored or white bodies) are also bad emitters. (The law also applies in very good approximation to bodies that are not in thermal equilibrium.)
Erläuterung:Explanation:
Um den Erfindungsgedanken und die dahinterstehende Physik klarer werden zu lassen, wird im folgenden versucht, sich von idealisierten Bedingungen ausgehend den realen Gegebenheiten auf der Erde schrittweise zu nähern: Fall 1 :In order to clarify the idea of the invention and the underlying physics, we will try to approach the real world conditions step by step starting from idealized conditions: Case 1 :
Fall 1 ist der ideale Zustand eines abgeschlossenen Systems, in dem sich zu einem Zeitpunkt t-i innerhalb einer zu 100% totalreflektierenden masselosen Schale zwei Körper E und S unterschiedlicher Temperatur TE und Ts befinden sollen, wobei Ts größer als TE ist.Case 1 is the ideal state of a closed system in which two bodies E and S of different temperature T E and T s are to be located within a 100% totally reflecting massless shell at time ti, where T s is greater than T E.
Die Oberfläche des Körpers E sei fast totalreflektierend (d.h., der Absorbtionskoeffizient αE ist geringfügig größer als 0). Körper S sei ein idealer schwarzer Körper (d.h., αs ist genauThe surface of the body E is almost totally reflecting (ie, the absorption coefficient α E is slightly larger than 0). Let body S be an ideal black body (ie, αs is exactly
1 )-1 )-
Beide Körper geben gemäß Planckschem Strahlungsgesetz Strahlung ab. Der schwarze Körper S mit höherer Temperatur und höherem α wesentlich mehr als der verspiegelte Körper E.Both bodies emit radiation in accordance with Planck's radiation law. The black body S with higher temperature and higher α much more than the mirrored body E.
Für die Strahlungsleistung, die der (schwarze) Körper S abgibt, gilt (Stefan-Boltzmann- Gesetz): Ms = σ • Ts 4 , mit σ = 5,67*10"8 W/m2K4 Für die Strahlungsleistung, die der fast verspiegelte Körper E abgibt, gilt: ME = αE • σ • TE 4 , mit σ = 5,67*10"8 W/m2K4 For the radiant power emitted by the (black) body S (Stefan-Boltzmann-law): Ms = σ • Ts 4 , with σ = 5.67 * 10 "8 W / m 2 K 4 For the radiant power, the the almost mirrored body E yields: M E = α E • σ • T E 4 , with σ = 5.67 * 10 "8 W / m 2 K 4
Nach einer (unendlich) langen Zeit stellt sich in dem abgeschlossenen System ein Zustand ein, in dem die Temperatur von schwarzem Körper S und verspiegeltem Körper E gleich ist (TE,Gieιchgewιcht = Ts,Gieιchgewιcht), und dies, obwohl der schwarze Körper S aufgrund des αs von 1 auch bei gleicher Temperatur wie Körper E viel mehr Strahlung abgibt (und über die totalreflektierende Schale des abgeschlossenen Systems auf den anderen Körper E einstrahlt), als der verspiegelte Körper E. Aber der verspiegelte Körper E absorbiert pro Zeiteinheit eben auch viel weniger der vom schwarzen Körper S ausgehenden Strahlung, als andersherum! Denn wäre das nicht so, so könnte man in einem solchen abgeschlossenen System ein sogenanntes Perpetuum mobile zweiter Art bauen, indem jedesmal, wenn sich aufgrund unterschiedlicher Strahlungsintensitäten eine Temperaturdifferenz zwischen zwei Körpern von selbst gebildet hätte, durch Schlagen einer Brücke von Körper zu Körper ein Wärmefluß vom wärmeren zum kälteren Körper hergestellt würde, der zum Betrieb einer Carnotschen Wärmekraftmaschine ausgenützt werden könnte und damit zur ewigen Gewinnung von höherwertiger Energie aus Wärme! Im thermodynamischen Gleichgewicht (nach „unendlich" langer Zeit) muß also aufgrund der ansonsten verletzten Hauptsätze der Thermodynamik stets TE = Ts sein (dies gilt für alle idealen und auch alle realen Arten von Körpern, also auch die nicht grauen!), und die Strahlungsleistungen der beiden Körper verhalten sich zueinander wie ihre Absorbtionskoeffizienten: ME / Ms = αE / αs Fall 2:After a (infinitely) long time, a condition is established in the closed system in which the temperature of the black body S and the mirrored body E is the same (T E , Gieιchgewιcht = T s , Gieιchgewιcht), and this, although the black body S also emits much more radiation at the same temperature as body E due to the α s of 1 (and radiates over the totally reflecting shell of the closed system onto the other body E) than the mirrored body E. But the mirrored body E absorbs evenly per unit of time also much less the radiation emanating from the black body S than the other way round! For if this were not so, then one could build in such a closed system, a so-called Perpetuum mobile of the second kind by each time, if due to different radiation intensities a temperature difference between two bodies would have formed by itself, by hitting a bridge from body to body, a heat flow From the warmer to the colder body would be produced, which could be exploited to operate a Carnot heat engine and thus for the eternal recovery of higher energy from heat! In thermodynamic equilibrium (after an "infinitely" long time) T E = T s must always be due to the otherwise defeated laws of thermodynamics (this applies to all ideal and all real types of bodies, including the non-gray!), And the radiation powers of the two bodies are related to each other as their absorption coefficients: M E / Ms = α E / α s Case 2:
Der Fall 2 ist der Fall eines nicht abgeschlossenen Systems, in dem sich zwei nichtrotierende Körper E und S mit Abstand zueinander befinden. Körper E habe die Form einer dünnen Kugelschale und seine Oberfläche sei grau (grauer Strahler) mit einem (wellenlängenunabhängigen) Absorbtions- und Emissionsgrad von 0,3 gegenüber einem schwarzen Körper. Das Material des Körpers E sei schlecht wärmeleitend. Körper E habe einen Radius von 6,37*106 Metern (Erdradius).Case 2 is the case of an unfinished system in which two nonrotating bodies E and S are at a distance from each other. Body E has the shape of a thin spherical shell and its surface is gray (gray radiator) with a (wavelength independent) absorption and emissivity of 0.3 compared to a black body. The material of the body E is poorly heat-conducting. Body E has a radius of 6.37 * 10 6 meters (earth radius).
Körper S sei ein schwarzer Körper mit Radius 6,96*108 Metern (Sonnenradius) und der konstanten Temperatur Ts=5800 Kelvin (Temperatur der Sonnenoberfläche, Photosphäre). Er befinde sich im Abstand von 1 ,496*1011 Metern von Körper E (mittlerer Abstand Erde/Sonne).Let body S be a black body with radius 6.96 * 10 8 meters (sun radius) and the constant temperature T s = 5800 Kelvin (temperature of the solar surface, photosphere). He is at a distance of 1, 496 * 10 11 meters from body E (mean distance earth / sun).
Ausgehend von Körper S erreiche den Körper E pro Quadratmeter senkrechter Fläche eine Strahlungsleistung von 1367 Watt (mittlere Solarkonstante, außerhalb der Erdatmosphäre). Da der Abstand von Körper S zu Körper E, verglichen mit den Durchmessern der beiden Körper, sehr groß ist, verlaufen seine Strahlen in der Nähe von Körper E praktisch parallel.Starting from body S, body E achieves a radiant power of 1367 watts per square meter of vertical area (average solar constant, outside the earth's atmosphere). Since the distance from body S to body E is very large compared to the diameters of the two bodies, its rays are practically parallel in the vicinity of body E.
Da die Oberfläche des Körpers E schlecht wärmeleitend ist und außerdem eine Hohlkugel, so daß keine Wärme ins Innere abfließen kann, heizt sie sich am Ort, an dem die Strahlung senkrecht auf die Oberfläche trifft, stärker und schneller auf als dort, wo die Strahlung schräg auftrifft.Since the surface of the body E is poorly heat-conducting and also a hollow sphere, so that no heat can flow into the interior, it heats up stronger and faster at the location where the radiation meets perpendicular to the surface than where the radiation is inclined incident.
Die verschiedenen Orte auf der Oberfläche von Körper E erreichen nach (unendlich) langer Zeit Gleichgewichtstemperaturen, bei denen absorbierte Strahlungsenergie und als Wärmestrahlung wieder abgestrahlte Energie gleich sind. Die abgestrahlte Energie pro Fläche ist gemäß Stefan-Boltzmann-Gesetz proportional T4: Für einen schwarzen Strahler (α=1 ) gilt:The various locations on the surface of body E reach equilibrium temperatures after (infinitely) long time, in which absorbed radiant energy and energy radiated as heat radiation are the same. The radiated energy per surface is according to Stefan Boltzmann law proportional T 4 : For a black radiator (α = 1) applies:
Mschwarzer Strahler = O * T4 , mit O = 5,67*10"8 W/mVM black emitter = O * T 4 , with O = 5.67 * 10 "8 W / mV
Für einen grauen Strahler mit beliebigem α: M(α) = α • MschwarZer strahier = o • o • T4 , mit o = 5,67*10"8 W/m2K4 Damit ein Quadratmeter Fläche auf der Kugel E dort, wo die Strahlung von Körper S senkrecht auftrifft, genau so viel Energie wieder abstrahlt, wie dort absorbiert wird, muß somit dieser Quadratmeter eine Gleichgewichtstemperatur von 394 Kelvin (121 0C) aufweisen:For a gray radiator with arbitrary α: M (α) = α • M black radii = o • o • T 4 , with o = 5.67 * 10 "8 W / m 2 K 4 Thus one square meter of area on the sphere E, where the radiation of body S is incident vertically, emits just as much energy as it is absorbed there, then this square meter must have an equilibrium temperature of 394 Kelvin (121 0 C):
T = (M(Q) / (Q * σ))1'4 = (Mschwarzer strahier / θ)1'4 T = (M (Q) / (Q * σ)) 1 ' 4 = (M black ray / θ) 1 ' 4
(Es treffen 1367 Watt pro Quadratmeter senkrechter Fläche auf, davon werden wegen des Absorbtionsgrades von 0,3 aber nur 0,3 • 1367 Watt = 510,1 Watt absorbiert und auch wieder nur 510,1 Watt als Wärmestrahlung emittiert.) (Die Gleichgewichtstemperatur ist nicht abhängig vom Absorbtions- und Emissionsvermögen α: Eine dauerhaft verspiegelte oder mit lichtstreuender Folie überzogene „Erde" ohne Atmosphäre hätte somit eine genauso hohe Gleichgewichtstemperatur, wie eine absolut schwarze oder beliebig anders geartete „Erde". Die Gleichgewichtstemperatur ist auch in diesem Fall des nicht abgeschlossenen Systems nur von der Intensität der eingestrahlten Sonnenstrahlung abhängig!)(There are 1367 watts per square meter of vertical area, of which, due to the absorbance of 0.3, only 0.3 • 1367 watts = 510.1 watts are absorbed and again only 510.1 watts are emitted as heat radiation.) (The equilibrium temperature is not dependent on the absorption and Emissivity α: A permanently mirrored or light-scattering film-coated "earth" without atmosphere would therefore have the same high equilibrium temperature as an absolutely black or any other kind of "earth". The equilibrium temperature is dependent in this case of the incomplete system only on the intensity of the irradiated solar radiation!)
Dort, wo die Strahlung unter einem Winkel von 30° auftrifft, verteilt sich ihre Energie auf die doppelte Fläche. Somit erhält ein Quadratmeter dort nur eine Strahlungsleistung von 683,5 Watt. Dementsprechend ist (gemäß obiger Formel) dort Strahlungseinfall und - abgäbe dann im Gleichgewicht, wenn diese Fläche nur eine Temperatur von 100 Kelvin (- 173 0C) hat. Und am Rand der Kugel E, wo die Strahlung nur streifend (Einfallswinkel 0°) einfällt, beträgt die Oberflächentemperatur 0 Kelvin. Die gleiche Oberflächentemperatur von 0 Kelvin herrscht auf der dem Körper S abgewandten Seite des Körpers E, auf die gar keine Strahlung einfällt und die sich daher in ewiger Nacht befindet. Insgesamt fällt auf den Körper E, der eine Querschnittsfläche πr2 von 1 ,2748*1014 m2 aufweist, eine Strahlungsleistung von 1 ,7426*1017 Watt ein. Die im Gleichgewicht diese Energie wieder abstrahlende Fläche ist aber nicht die kreisförmige Querschnittsfläche, sondern die halbe Kugeloberfläche, also Vi • 4πr2, also 2,5495*1014 m2 (und damit doppelt so groß wie die Querschnittsfläche der Kugel). Würde die dem Körper S zugewandte Hälfte der Kugeloberfläche von E „unendlich" gut Wärme leiten und dann überall an ihrer Oberfläche die gleiche Temperatur aufweisen, so wäre Gleichgewicht erreicht, wenn ihre Durchschnittstemperatur 331 Kelvin (58 0C) entspräche. Wäre sogar die Wärmeleitfähigkeit der gesamten Kugeloberfläche E „unendlich" gut, so daß auch die dem Köper S abgewandte Kugelhälfte die gleiche Temperatur aufwiese, wie die S zugewandte Kugeloberfläche, so betrüge die durchschnittliche Oberflächentemperatur 279 Kelvin (6 0C). Das entspricht praktisch schon fast der gemessenen durchschnittlichen Oberflächentemperatur der Erde von 288 Kelvin! Das gleiche, wie für eine unendlich gute Wärmeleitfähigkeit der Oberfläche gilt für einen „unendlich" schnell um alle (!) drei Raumachsen drehenden Körper E, bei dem gemittelt jede Fläche gleich stark beschienen wird. (Physikalisch gibt es solche um alle Achsen gleichzeitig drehenden, im Raum frei schwebenden Kugeln nicht.)Where the radiation hits at an angle of 30 °, its energy is distributed over twice the area. Thus, one square meter receives only a radiation power of 683.5 watts. Accordingly (according to the above formula) there is radiation incidence and emission then in equilibrium, if this surface only has a temperature of 100 Kelvin (- 173 0 C). And at the edge of the sphere E, where the radiation is incident only grazing (incidence angle 0 °), the surface temperature is 0 Kelvin. The same surface temperature of 0 Kelvin prevails on the side facing away from the body S of the body E, on which no radiation is incident and therefore is in perpetual night. Overall, falls on the body E, which has a cross-sectional area πr 2 of 1, 2748 * 10 14 m 2, a radiation power of 1, 7426 * 10 17 Watt a. However, the surface which radiates in equilibrium with this energy is not the circular cross-sectional area, but half the spherical surface, ie Vi • 4πr 2 , ie 2.5495 * 10 14 m 2 (and thus twice as large as the cross-sectional area of the sphere). If the half of the spherical surface of E facing body S were to conduct heat well and then have the same temperature everywhere on its surface, equilibrium would be reached if its average temperature were 331 Kelvin (58 0 C) total sphere surface E "infinite" well, so that the ball half facing away from the body S had the same temperature as the S facing ball surface, the average surface temperature would be 279 Kelvin (6 0 C). This is almost equivalent to the measured average surface temperature of the Earth of 288 Kelvin! The same as for an infinitely good thermal conductivity of the surface applies to an "infinitely" fast about all (!) Three spatial axes rotating body E, in the averaged each surface is illuminated equally strong. (Physically, there are such all axes simultaneously rotating, not in the free-floating spheres.)
Fall 3:Case 3:
Fall 3 ist der Fall eines „gemächlich" (also erdähnlich) um eine Drehachse durch die Pole rotierenden kugelschaligen Körpers E, wobei die Drehachse senkrecht zum Strahlungseinfall steht.Case 3 is the case of a "leisurely" (ie earth-like) about a rotation axis through the poles rotating ball-shelled body E, wherein the axis of rotation is perpendicular to the radiation incidence.
Bei hinreichend großer Wärmekapazität der Kugelschale wird eine Gleichgewichtstemperatur der Oberfläche nicht erreicht, bevor durch Abnahme und Wegfall („Nacht") der Einstrahlung infolge der Drehung schon wieder die Abkühlung beginnt. Es zeigt sich für jeden Ort auf der Oberfläche eine dem „Breitengrad" entsprechende zeitabhängige Temperaturverlaufskurve (Tag/Nachtkurve). Diese ist am „Äquator", wo der Absolutwert der Strahlung stärker schwankt, ausgeprägter als in Polnähe.At sufficiently high heat capacity of the ball shell, an equilibrium temperature of the surface is not reached before by decrease and Elimination ("night") of the radiation as a result of the rotation, the cooling begins again, showing for each place on the surface a time-dependent temperature curve corresponding to the "latitude" (day / night curve). This is more pronounced at the "equator", where the absolute value of the radiation fluctuates more than near the pole.
Fall 4:Case 4:
Fall 4 ist eine Erweiterung von Fall 3 unter Einbeziehung eines beweglichen gravitationsgebundenen Fluids (Atmosphäre, Ozeane) über der Oberfläche des Körpers E, wobei das Fluid durchlässig für alle Wellenlängen sei, also einen Absorbtions- undCase 4 is an extension of Case 3 incorporating a mobile gravitational fluid (atmosphere, oceans) over the surface of the body E, the fluid being transmissive to all wavelengths, that is, an absorbance and absorption
Emissionskoeffizienten von 0 habe. Das Fluid tauscht Energie dann nur durch Kontakt (Stoß seiner Teilchen) mit der warmen Oberfläche von Körper E aus und transportiert sie durch Konvektion (geringfügig auch durch Diffusion) weiter. Das Fluid führt über wetterähnliche Vorgänge zu einem Transport von Wärme von niederen in hohe Breiten und damit tendentiell zu einer Angleichung der Oberflächentemperaturen zwischen Polen und Äquator.Have emission coefficients of 0. The fluid then exchanges energy only by contact (collision of its particles) with the warm surface of body E and transports it by convection (slightly by diffusion) on. The fluid leads, via weather-like processes, to a transport of heat from low to high latitudes, and thus tends to bring about an approximation of the surface temperatures between the poles and the equator.
Die über die Zeit gemittelte Gesamtabstrahlung an Energie des Körpers E ist aber weiterhin genauso groß, wie die eingestrahlte Menge! (Sie muß es sein, weil sonst die Hauptsätze der Thermodynamik verletzt würden!) Aber die Strahlungsemission ist anders über die Fläche verteilt, nämlich gleichmäßiger, weil auch die Temperaturen gleichmäßiger sind. Da das Fluid selbst weder Strahlung emittiert, noch absorbiert, hat es zwar eine Temperatur aufgrund des Kontaktes mit der warmen Oberfläche, und es enthält (da es eine Wärmekapazität besitzt) auch eine Wärmemenge, die der Oberfläche entzogen wurde, aber es trägt keinen Anteil zur Abstrahlung bei. Der Wärmeaustausch der Oberfläche von E mit dem Fluid führt aber zu einer langsameren Änderung derHowever, the total radiation of energy of the body E, averaged over time, continues to be just as great as the quantity irradiated! (It must be, otherwise the laws of thermodynamics would be violated!) But the radiation emission is distributed differently across the surface, more even, because the temperatures are also more uniform. Although the fluid itself does not emit or absorb radiation, while having a temperature due to contact with the hot surface, it also contains (as it has a heat capacity) an amount of heat removed from the surface, but it does not contribute Radiation at. However, the heat exchange of the surface of E with the fluid leads to a slower change in the
Oberflächentemperatur des Körpers E, als es ohne Anwesenheit des Fluids der Fall wäre.Surface temperature of the body E, as it would be the case without the presence of the fluid.
Fall 5:Case 5:
Fall 5 ist ähnlich Fall 4 aber diesmal mit einem Fluid, das ein in hohem Maße transparenter grauer Strahler ist, der einen geringen Teil der einfallenden Strahlung absorbiert, bevor sie die Oberfläche von E erreicht, und der auch einen Teil der abgestrahlten Wärmestrahlung absorbiert, bevor sie nach außen (ins Weltall) entschwindet. Ohne Rotation des Körpers E und ohne Konvektion des Fluids und ohne Wärmeübertragung durch Stöße von Fluidteilchen erreichten sowohl das Fluid, als auch die Oberfläche von E nach „unendlich" langer Zeit eine nur von der Strahlungsintensität am jeweiligen Ort abhängige gleiche Gleichgewichtstemperatur. Wenn nur wenig einfallende Strahlung im Fluid absorbiert wird (so, wie es auch in Luft der Fall ist), und die meiste Strahlung erst bei Absorbtion auf der Oberfläche in Wärme umgewandelt wird, und wenn das Material der Oberfläche schlecht wärmeleitend ist (wenig Wärmeabfluß nach unten), erhöht sich die Temperatur der Oberfläche nach Bestrahlungsbeginn anfangs schneller als die des Fluids.Case 5 is similar to Case 4, but this time with a fluid that is a highly transparent gray emitter that absorbs a small portion of the incident radiation before it reaches the surface of E and that also absorbs some of the radiated heat radiation before she disappears outwards (into space). Without rotation of the body E and without convection of the fluid and without heat transfer by impacts of fluid particles reached both the fluid, and the surface of E after "infinitely" long time dependent only on the radiation intensity at each location equal equilibrium temperature. When only little incident radiation is absorbed in the fluid (as is the case in air), and most of the radiation is converted to heat only upon absorption on the surface, and when the material of the surface is poorly thermally conductive (little heat dissipation) below), the temperature of the surface after the start of irradiation initially increases faster than that of the fluid.
Fall 6:Case 6:
In Fall 6 ist das Fluid ein Gas, das für die einfallende Strahlung (bzw. den überwiegendenIn case 6, the fluid is a gas which is responsible for the incident radiation (or the predominant
Teil davon) durchlässig ist, für den größten Teil der abgestrahlten Strahlung größerer Wellenlänge (Wärmestrahlung) aber nicht (Treibhauseffekt durch „Treibhausgase").Part of it) is permeable, but not for most of the radiated radiation of larger wavelength (heat radiation) (greenhouse effect by "greenhouse gases").
Wärme wird dadurch länger im oberflächennahen Bereich zurückgehalten, wodurch es, verglichen mit dem Fall eines graustrahlenden Gases, zu einer Aufheizung des oberflächennahen Bereiches kommt („Treibhauseffekt"). Damit die gemittelte Gesamtabstrahlung wieder der eingestrahlten Strahlungsintensität entspricht (Hauptsätze der Thermodynamik), muß aber dafür die Temperatur des oberflächenfernen Gases niedriger sein. (Bei Berücksichtigung einer Wärmeübertragung durch Konvektion und Diffusion nimmt die Temperatur in jeder Art von Gas allerdings nach außen zusätzlich ab, wenn ein Gravitationspotential mitberücksichtigt wird, das einem sich aufwärtsbewegenden Gasteilchen kinetische Energie entzieht.) Im Falle einer Rotation des Körpers E und gleichzeitiger Konvektion undHeat is thus retained in the near-surface region for longer, which leads to a heating of the near-surface region ("greenhouse effect") compared to the case of a gray-emitting gas, so that the average total radiation again corresponds to the irradiated radiation intensity (main theorems of thermodynamics) however, taking into account heat transfer by convection and diffusion, the temperature in any kind of gas will decrease further outward, if a gravitational potential is taken into account, which removes kinetic energy from an upwardly moving gas particle a rotation of the body E and simultaneous convection and
Wärmeübertragung durch Stöße von Gasteilchen ist zwar die über lange Zeit gemittelte Gesamteinstrahlung gleich der gemittelten, vom Körper E durch eine gedachte Hüllfläche abgegebenen Strahlung. Allerdings ist die Temperaturverteilung, die zu dieser Gesamtabstrahlung führt, an der Oberfläche und im Fluid viel komplizierter: Die beschienene Oberfläche von E ist wärmer, als das darüberstehende Gas. Das Gas ist aber auch vor Erreichen eines Gleichgewichtszustandes in Oberflächennähe wärmer als oberflächenfern, weil es die Wärmestrahlung praktisch vollständig absorbiert, bevor diese in größere Höhen gelangen kann. Somit erwärmen sich die unteren Gasschichten schneller als die oberen. Im Endeffekt führt das nach nur endlicher Zeit der Einstrahlung („Tag"), in der sich kein Gleichgewichtszustand einstellen kann, zu wärmeren unteren Luftschichten (Troposhäre) und kälteren oberen Luftschichten (Stratosphäre). Verstärkt wird dieser Effekt noch durch eine Aufteilung der Gasteilchen gemäß ihrer Molekülmasse im Gravitationsfeld, wenn grau absorbierende und selektiv wärmestrahlungsabsorbierende Gasteilchen unterschiedliche Massen aufweisen. Auf der Nachtseite kühlt die Oberfläche wieder ab und ebenso die stark wärmeabsorbierenden Gasteilchen, da diese auch Wärme besonders gut wieder abstrahlen. (Die Abkühlung beginnt sogar bereits am späten Tag, nämlich dann, wenn die von der einfallenden Strahlungsintensität absorbierte Energie geringer wird als die der abgegebenen Wärmestrahlung!)Heat transfer by collisions of gas particles is indeed the average over a long time total irradiation equal to the averaged, emitted by the body E by an imaginary envelope surface radiation. However, the temperature distribution that results in this overall radiation is much more complicated at the surface and in the fluid: the illuminated surface of E is warmer than the gas above it. The gas is also warmer than surface before reaching a state of equilibrium near the surface, because it absorbs the heat radiation practically completely before it can reach greater heights. Thus, the lower gas layers heat up faster than the upper ones. As a result, after only a finite period of irradiation ("day") in which no equilibrium state can be established, warmer lower air layers (troposphere) and colder upper layers of air (stratosphere) are amplified by splitting the gas particles according to of their molecular mass in the gravitational field, when gray absorbing and selective heat radiation absorbing gas particles have different masses, on the night side the surface cools down and also the strongly heat absorbing gas particles, since they also radiate heat very well again (the cooling starts even at the end of the day, namely, when the energy absorbed by the incident radiation intensity is lower than that of the emitted heat radiation!)
Insgesamt ergibt sich für den Fall von nicht grau absorbierenden Gasteilchen, die im Infraroten (Wärmestrahlung) besser absorbieren und emittieren als in benachbarten Wellenlängenbereichen, eine Erwärmung der oberflächennahen Luftschichten und eine Abkühlung der oberflächenfernen Luftschichten, so, wie man es auch auf der Erde beobachtet: Der Treibhauseffekt mit einer Erwärmung der Atmosphäre bzw. Troposphäre ist gleichzeitig mit einer Abkühlung der Stratosphäre gekoppelt. Dies muß auch so sein, damit zeitlich gemittelt das Kirchhoffsche Strahlungsgesetz gilt, das ja aus den Hauptsätzen der Thermodynamik folgt.Overall, in the case of non-gray absorbing gas particles that absorb and emit better in the infrared (heat radiation) than in adjacent wavelength ranges, a warming of the near-surface air layers and a cooling of the surface distant air layers, as it is observed on Earth: The greenhouse effect with warming of the atmosphere or troposphere is simultaneously coupled with a cooling of the stratosphere. This must also be so, so that temporally averaged the Kirchhoff radiation law applies, which follows from the main theorems of thermodynamics.
Erfindungsausführung:Present version:
Um zu einer Abkühlung der Atmosphäre zu kommen, ohne gleichzeitig die Konzentration der wärmestrahlungabsorbierenden Treibhausgase (z.B. CO2 oder Methan) zu senken, schlägt die Erfindung einen Trick vor (sozusagen eine Art „makroskopischenIn order to cool the atmosphere without at the same time lowering the concentration of the heat radiation absorbing greenhouse gases (eg CO 2 or methane), the invention proposes a trick (sort of a "macroscopic")
Maxwellschen Dämon"), der aber die Hauptsätze der Thermodynamik nicht verletzt! Es wird kein verstecktes Perpetuum mobile zweiter Art verwendet.Maxwell's Demon "), but does not violate the laws of thermodynamics! No hidden Perpetuum Mobile of the second kind is used.
Die Erfindung sieht als erste Maßnahme vor, auf oder nahe über der Erdoberfläche eine Schicht aus stark lichtstreuendem oder, bevorzugt, stark reflektierendem Material anzubringen, so, wie es auch schon zuvor vorgeschlagen wurde, um die Albedo derThe invention provides as a first measure to install on or near the earth's surface a layer of strong lichtstreuendem or, preferably, highly reflective material, so, as it was previously proposed to the albedo of
Erdoberfläche zu erhöhen. Reflektierende Flächen, also Spiegel, sind besonders günstig, weil sie bei hohem Sonnenstand, wenn die meiste Energie auf die Flächeneinheit der Erdoberfläche einfällt, das Licht auf dem kürzesten Weg wieder aus der Atmosphäre herausbefördern können, wodurch weniger davon in der Atmosphäre absorbiert wird. Vom Streulicht, welches z.B. von weißen Flächen (z.B. Magnesiumoxid, Titandioxid) ausgeht, legt der unter flachem Winkel gestreute Anteil einen sehr weiten Weg durch Luftschichten zurück, und daher wird von diesem Anteil mehr Energie an die Luft oder Verunreinigungen darin übertragen. Eine solche statische Lösung nach Stand der Technik führt zwar ebenfalls zu einer Verringerung der auf der Erdoberfläche und in der Atmosphäre absorbierten Strahlung pro Zeiteinheit des Tages, aber sie führt, aufgrund des Kirchhoffschen Strahlungsgesetzes, auch zu einer verminderten Abstrahlung von Wärme in der Nacht!Increase earth surface. Reflecting surfaces, ie mirrors, are particularly favorable because, when the sun is high, when most of the energy is incident on the surface unit of the earth's surface, they can bring the light out of the atmosphere on the shortest path, whereby less of it is absorbed in the atmosphere. Of the stray light, which is e.g. of white areas (e.g., magnesia, titania), the low angle scattered portion travels a very long distance through layers of air, and therefore, more energy is transferred to the air or impurities from that portion. Although such a static solution according to the prior art also leads to a reduction in the radiation absorbed on the earth's surface and in the atmosphere per unit time of the day, but it also leads to a reduced radiation of heat at night due to the Kirchhoff radiation law!
Als extremes Beispiel mag eine vollkommen verspiegelte Erdoberfläche dienen: Sie strahlt zwar alles einfallende Licht in den Weltraum zurück, aber sie hält auch alle unterhalb der verspiegelten Oberfläche vorhandene Wärme zurück wie eine Thermosflasche. (Im Endeffekt und idealisierten Fall heizte sich in diesem Extrembeispiel dadurch die Erdoberfläche sogar vom heißen Erdkern her langsam so lange so weit auf, bis die gesamte Erde ein glühender Magmaball gleichmäßiger Temperatur wäre!)As an extreme example may serve a completely mirrored surface of the earth: Although it radiates all incident light back into space, but it also holds all existing below the mirrored surface heat back like a thermos bottle. (In the end, and idealized case heats up in this extreme example by the The earth's surface, even from the hot core of the earth, slowly so far until the whole earth is a glowing magma-bubble of uniform temperature!)
Daher schlägt die Erfindung als wesentlichen Zusatz eine zeitlich gesteuerte Regelung der Albedo vor: Zum Zwecke einer Abkühlung wird tagsüber (oder während eines großen Teils des Tages, wenn die Einstrahlung besonders stark ist) die Albedo der Erdoberfläche erhöht, so daß weniger Sonnenstrahlung von ihr absorbiert und in oberflächennah (in der Oberfläche selbst und darüber befindlichen Luftschichten) gespeicherte Wärme umgewandelt wird, und nachts (oder während eines großen Teils der Nacht) wird die Albedo verringert, so daß die aufgenommene und in Wärme umgewandelteTherefore, the invention proposes as an essential additive a timed control of the albedo: For the purpose of cooling during the day (or during a large part of the day when the irradiation is particularly strong), the albedo of the earth's surface increases, so that less solar radiation absorbs from it and heat stored in near-surface (in the surface itself and overlying layers of air) is converted, and at night (or during much of the night) the albedo is reduced so that the absorbed and converted into heat
Strahlungsenergie als Wärmestrahlung verstärkt abgegeben wird. Dies führt zu einer Gesamtabkühlung des Bodens und der Atmosphäre.Radiation energy is emitted as heat radiation amplified. This leads to a total cooling of the soil and the atmosphere.
Besonders effektiv ist das Verfahren bei direkter Soneneinstrahlung, wenig effektiv bei bedecktem Himmel: Hier reflektieren bereits die Wolken einen Großteil des einfallenden Sonnenlichtes ins Weltall zurück.The method is particularly effective in direct sunshine, less effective in overcast skies: Here already reflect the clouds a large part of the incoming sunlight back into space.
(Zum Zwecke einer Erwärmung des Klimas, z.B. zur Verhinderung einer Eiszeit, wird tagsüber die Albedo der Erdoberfläche verringert, so daß mehr Strahlung von ihr absorbiert und in oberflächennah (im Bodenmaterial und darüber befindlichen Luftschichten) gespeicherte Wärme umgewandelt wird, und nachts wird die Albedo vergrößert, so daß die aufgenommene und in Wärme umgewandelte Strahlungsenergie zurückgehalten wird. Dies führt zu einer Gesamterwärmung der Erdoberfläche und der Atmosphäre.)(For the purpose of warming the climate, eg to prevent ice age, the albedo of the earth's surface is reduced during the day so that more radiation is absorbed by it and converted into near-surface heat (in the soil material and overlying layers of air), and at night becomes the albedo so that the absorbed and heat-converted radiant energy is retained, resulting in total warming of the earth's surface and the atmosphere.)
Die Regelung der Albedo erfolgt durch Vergrößern und Verkleinern von Sonnenstrahlung reflektierenden oder streuenden Flächen, die sich auf oder mit Abstand über der Erdoberfläche (Land oder Wasser) befinden: Tagsüber werden die reflektierenden/streuenden Flächen vergrößert, nachts wird ihre Fläche verkleinert. Wesentlich ist dabei die für die Einstrahlung und Abstrahlung effektive Fläche. (Die mechanische Regelung wird bevorzugt durch Sonnenenergie angetrieben, z.B. über Solarzellen. Auch selbstregelnde Antriebe mittels Formgedächtnislegierungen sind denkbar.)The albedo is controlled by increasing and decreasing the solar radiation reflecting or scattering areas that are at or above the earth's surface (land or water): During the day, the reflecting / scattering surfaces are enlarged, at night their area is reduced. Essential here is the effective for the irradiation and radiation surface. (The mechanical control is preferably powered by solar energy, for example via solar cells.) Self-regulating drives by means of shape memory alloys are also conceivable.)
Die Albedo der natürlichen Erdoberfläche schwankt von ungefähr 0,05 für Wasser, ungefähr 0,1 bis 0,25 für Wald und Wiese, 0,3 für Wüste bis zu 0,9 für frisch gefallenen Schnee. (Aufgrund der hohen Albedo von Schnee macht eine Abdeckung schneebedeckter Flächen tagsüber mit einem nur etwas stärker reflektierenden Medium weniger Sinn. Schnee ist darüberhinaus kein grauer Absorber und Emitter, sondern ein selektiver: Er absorbiert und strahlt gut im Infraroten, weshalb ja auch nachts die Luft über Schneeflächen bei klarem Himmel stark abkühlt!)The albedo of the natural surface of the earth varies from about 0.05 for water, about 0.1 to 0.25 for forest and meadow, 0.3 for desert up to 0.9 for freshly fallen snow. (Due to the high albedo of snow, covering snow-covered areas during the day with a slightly more reflective medium makes less sense.) In addition, snow is not a gray absorber and emitter, but one more selective: it absorbs and radiates well in the infrared, which is why the air at night cools down over snow surfaces in clear skies!)
Die Veränderung der effektiven reflektierenden oder streuenden Fläche oberhalb der natürlichen Erdoberfläche kann durch unterschiedliche Maßnahmen erreicht werden: Verspiegelte oder stark streuende („weiße") Flächen, die tagsüber parallel zur Erdoberfläche aufgestellt sind und nachts in eine ungefähr senkrechte Stellung geklappt/gedreht werden, so daß der darunterbefindliche Boden samt bodennaher Luft seine Wärmestrahlung nach oben abgeben kann. Vor allem bei verspiegelten Flächen ist eine Variante effektiver (aber eben auch aufwendiger), bei der die Spiegel dem Sonnenstand folgend so gesteuert sind, daß sie das auf sie eintreffende Licht genau senkrecht nach obendurch die dünnste Luftschicht hindurch zurück ins Weltall werfen, oder, bei Bewölkung, durch Wolkenlücken hindurch. Dann erfolgt geringstmögliche Absorbtion bzw. Streuung in der Atmosphäre. Die verspiegelten bzw. streuenden Flächen können nachts auch zusammengefaltet oder zu einem Stapel zusammengeschoben werden, wodurch die darunterliegende Erdoberfläche freiliegt.The change of the effective reflecting or scattering surface above the natural surface of the earth can be achieved by different measures: mirrored or strongly scattering ("white") surfaces which are set up parallel to the earth during the day and folded / rotated at night into an approximately vertical position Especially with mirrored surfaces, a variant is more effective (but also more elaborate) in which the mirrors following the position of the sun are controlled so that they are exactly perpendicular to the incoming light thrown back through the thinnest layer of air back into space or, in cloudy weather, through cloud gaps.There is then the lowest possible absorption or scattering in the atmosphere.The mirrored or scattering surfaces can also folded at night or pushed together into a stack which exposes the underlying earth's surface.
Oder die verspiegelte bzw. lichtstreuende Fläche kann auch nachts zu einer Rolle zusammengerollt werden. In diesem Falle sind sehr kostengünstige reflektierend oder lichtstreuend ausgestattete Folien verwendbar, die zwar eine etwas geringere Albedo aufweisen, dafür aber, weil billig, bei gleichen Kosten eine wesentlich größere Fläche bedecken können. Das Zusammenrollen (maschinell oder durch eine Federkraft, wie bei einem Rollo) geschieht bevorzugt in ein schützendes Gehäuse hinein. Dies ermöglicht auch den Schutz tagsüber, falls die Witterung (Sandstürme oder ähnliches) das erfordert. Auch für den Fall des Zusammenklappens oder Stapeins von reflektierenden/lichtstreuenden Flächen sind Schutzkästen von Vorteil, für das Senkrechtstellen zumindest Flächenabdeckungen für die reflektierenden/lichtstreuenden Flächen.Or the mirrored or light-scattering surface can also be rolled up into a roll at night. In this case, very inexpensive reflective or light scattering equipped films can be used, which indeed have a slightly lower albedo, but because cheap, can cover a much larger area at the same cost. The rolling (machine or by a spring force, such as a roller blind) is preferably done in a protective housing inside. This also allows protection during the day, if the weather (sandstorms or the like) requires it. Also in the case of collapsing or stapling of reflective / light-scattering surfaces protective boxes are advantageous for vertical positions at least surface covers for the reflective / light-scattering surfaces.
Der durch die erfinderischen Maßnahmen zu erzielende Effekt ist aufgrund derThe effect to be achieved by the inventive measures is due to the
Komplexität des Wettergeschehens schwierig quantitativ anzugeben! Am einfachsten läßt er sich wohl durch Vergleich der Tages- und Nachttemperaturen in einer Wüste abschätzen: Bei klarem Himmel beträgt der Unterschied zwischen Tag- und Nachttemperatur bei einer äquatornahen Wüste (natürliche Albedo ungefähr 0,3 ) ungefähr 40 Grad Celsius. Wäre man nun in der Lage, tagsüber alle Sonneneinstrahlung auf ein solchermaßen während der nacht abgekühltes Stück Erdoberfläche durch Abdeckung mittels reflektierender/streuender Flächen zu verhindern, kühlte sich das selbe Stück Oberfläche in der nächsten Nacht erneut um einen, wenn auch etwas geringeren Betrag ab, wenn man den Zustrom warmer Luft von der Seite her unterbindet. Im idealisierten Extremfall einer Oberfläche, die nach unten hin vollkommen isoliert wäre und von den darüberbefindlichen Luftschichten keine Energie aufnähme, und die tagsüber mit einem idealen vollkommen reflektierenden Spiegel vor Einstrahlung geschützt wäre, kühlte die Oberfläche sukzessive asymptotisch bis auf die Temperatur der kosmischen Hintergrundstrahlung ab (ungefähr 3 Grad Kelvin, also -270 0C !). Im Falle von großflächig und dicht nebeneinander installierten erfindungsgemäßen Anordnungen ist allerdings auch ohne Isolierung gegen einen warmen Luftstrom von der Seite her eine sehr deutliche Abkühlung des mit der erfindungsgemäßen Anordnung ausgestatteten Areals feststellbar, wenn die Fläche so groß ist, daß ihr Durchmesser größer ist, als die Strecke, die warme, von der Seite einströmende Luftmassen (Wind) innerhalb der Bestrahlungsdauer (Tag) der Anordnung zurücklegen. Aber auch für kleinere Anordnungen resultiert natürlich eine meßbare Abkühlung, weil die einströmenden Luftmassen ja dabei abgekühlt werden.Complexity of weather events difficult to quantify! The easiest way to estimate it is by comparing the daytime and nighttime temperatures in a desert: when the sky is clear, the difference between daytime and nighttime temperatures for a near-equatorial desert (natural albedo about 0.3) is about 40 degrees Celsius. If one were now able to prevent all solar radiation during the day in such a way cooled down part of the earth's surface by covering by means of reflecting / scattering surfaces, cooled the same Piece of surface the next night again by a, albeit slightly smaller amount off, if one prevents the influx of warm air from the side. In the idealized extreme case of a surface which would be completely isolated downwards and would not absorb energy from the air layers above, and which would be protected from radiation with an ideal fully reflecting mirror during the day, the surface would successively asymptotically cool down to the temperature of the cosmic background radiation. about 3 degrees Kelvin, so -270 0 C!). In the case of large-area and close to each other installed arrangements according to the invention, however, a very clear cooling of the area equipped with the inventive arrangement can be determined even without insulation against a warm air flow from the side when the surface is so large that its diameter is greater than cover the distance covered by warm air flowing in from the side (wind) within the irradiation time (day) of the arrangement. But even for smaller arrangements, of course, results in a measurable cooling, because the incoming air masses are indeed cooled.
Sind die erfindungsgemäßen Anordnungen über eine große Fläche verteilt, aber vereinzelt angebracht, resultiert eine lokal zwar geringfügige, aber dafür eben für ein sehr großes Areal wirksame Abkühlung, wie sie für einen Landstrich gewünscht ist, der wieder, trotz Klimaerwärmung durch Treibhausgase, ein Klima haben soll, wie es in den Jahrhunderten vor der anthropogenen Erhöhung der Treibhausgase durch den Menschen vorhanden war, und an das sich Natur und Landwirtschaft angepaßt haben.Are the arrangements according to the invention distributed over a large area, but isolated, results in a locally effective, but effective for a very large area effective cooling, as desired for a region that again, despite global warming by greenhouse gases, have a climate should, as it was in the centuries before the anthropogenic increase of greenhouse gases by man, and adapted to the nature and agriculture.
Um die Durchschnittstemperatur einer Landschaft z.B. um 2 Grad zu senken, müßten (in Äquatornähe) ungefähr 2,5% der Oberfläche tagsüber vollkommen verspiegelt und nachts vollkommen entspiegelt sein. Da nachts keine vollkommene Entspiegelung zu gewährleisten ist (auch ein zusammengeklappter Spiegel hat noch eine effektiveTo estimate the average temperature of a landscape e.g. by 2 degrees, approximately 2.5% of the surface would have to be completely mirrored (near the equator) during the day and completely antireflective at night. There is no perfect anti-reflection at night (even a collapsed mirror still has an effective
Restfläche) und der Reflexionsgrad eines realen und kostengünstigen und gleichzeitig robusten Spiegels deutlich unter 100% liegt, kann man von einem Wirkungsgrad der Anordnung von ungefähr 0,8 bis 0,9 ausgehen, wodurch dann real ungefähr 3 % der Oberfläche tagsüber verspiegelt werden müßten, um ungefähr 2 Grad Abkühlung (Durchschnittstemperaturabweichung über 24 Stunden gemittelt) zu erreichen. Dies wäre z.B. in Städten am leichtesten möglich, indem solche Vorrichtungen auf Dächern angebracht würden. In Städten ließe sich auch der Anteil der verspiegelten Fläche noch wesentlich erhöhen, so daß die in Städten im Sommer ohne Klimaanlagen häufig unerträglichen Temperaturen deutlich gemindert werden könnten. Wenn die erfindungsgemäßen Anlagen, mit Freiflächen zwischen den Spiegeln, in Wüsten oder Wüstenrandgebieten eingesetzt werden, in denen üblicherweise aufgrund von Hitze und Dürre keine Landwirtschaft möglich ist, erzielt man, außer der gewünschten Abkühlung des Gesamtklimas, auch noch den wirtschaftlich nutzbaren Nebeneffekt, daß Landwirtschaft und Weidewirtschaft möglich wird! Das macht die erfindungsgemäße Klimabeeinflussung auch wirtschaftlich interessant, gerade für viele der bisherigen Hauptölförderländer! Besonders ist das der Fall, wenn die reflektierenden/streuenden Flächen höher über dem Boden aufgeständert sind, so daß auch noch der Bereich unter ihnen nutzbar ist. Hat man z.B. ein Viertel der Erdoberfläche einer Landschaft tagsüber mit reflektierenden/streuenden Flächen überdacht, und stehen diese nicht großflächig konzentriert, sondern aufgeteilt auf viele Untereinheiten, oder weisen die reflektierenden/streuenden Flächen Durchbrüche als Lichtdurchlaß auf, so erhalten die Pflanzen aufgrund der am Himmel entlangwandernden Sonne nicht den ganzen Tag über Sonne, sondern immer auch wieder Schatten und werden durch die intensive Sonnenstrahlung nicht geschädigt. Die aufgeständerten Flächen verringern gleichzeitig auch durch Verringerung der Konvektion das Verdampfen von Wasser. Der landwirtschaftliche Anbau unter den gegen übermäßige Sonnenstrahlung geschützten Flächen finanziert dann langfristig deren Überdachung! Vor allem für extensive Weidewirtschaft (z.B. Ziegen) in Wüsten oder Wüstenrandgebieten dürften sich solche Vorrichtungen eignen und damit vor allem wieder für die arabischen Ölförderländer interessant sein, in deren Tradition dies liegt. Außerdem lassen sich erfindungsgemäß solarthermische Kraftwerke zur Gewinnung elektischer Energie, bei denen viele Spiegel gesteuert werden, um Licht gemeinsam auf einen Brennpunkt (meist in einem Turm) zu fokussieren, gleichzeitig für eine Klimaabkühlung einsetzen, indem bei fehlender Sonneneinstrahlung (hauptsächlich nachts) die Spiegel so gestellt werden, das maximale Abstrahlung von Wärmestrahlung von der Erdoberfläche möglich ist.Residual area) and the reflectance of a real and inexpensive and at the same time robust mirror is clearly below 100%, one can assume an efficiency of the arrangement of approximately 0.8 to 0.9, which would then have to be mirrored real about 3% of the surface during the day, to reach about 2 degrees cooling (average temperature deviation averaged over 24 hours). This would be most easily done in cities, for example, by placing such devices on roofs. In cities, the proportion of mirrored surface could be increased significantly, so that in cities in the summer without air conditioning often unbearable temperatures could be significantly reduced. When the plants according to the invention, with open spaces between the mirrors, are used in deserts or desert areas where agriculture is usually impossible due to heat and drought, one achieves, except the desired one Cooling of the overall climate, even the economically useful side effect that agriculture and pastoralism is possible! This makes the climate influence of the invention also economically interesting, especially for many of the previous main oil producing countries! This is particularly the case when the reflective / scattering surfaces are elevated higher above the ground, so that even the area below them can be used. If, for example, one quarter of the earth's surface of a landscape has been covered with reflecting / scattering surfaces during the day, and if these are not concentrated over a large area, but divided into many subunits, or if the reflecting / scattering surfaces have openings as light transmission, the plants will be preserved in the sky Along the sun, the sun does not move all day long, but always shadows and is not damaged by the intense sunlight. The elevated surfaces also reduce the evaporation of water by reducing convection. The agricultural cultivation under the protected against excessive solar radiation surfaces then financed in the long term their roofing! Especially for extensive grazing (eg goats) in deserts or desert marginal areas, such devices should be suitable and, above all, interesting again for the Arab oil producing countries, in whose tradition this is. In addition, solar thermal power plants according to the invention for generating electrical energy, in which many mirrors are controlled to focus light together on a focal point (usually in a tower), at the same time for a Klimaabkühlung use by in the absence of sunlight (mainly at night) the mirror so be provided, the maximum radiation of heat radiation from the earth's surface is possible.
Größere Ansammlungen gesteuerter Spiegel zum Zwecke einer Klimaabkühlung lassen sich somit gleichzeitig auch dazu verwenden, elektrische Energie zu gewinnen. Die Spiegel müssen hierzu nicht die Perfektion in Form und Reflexionsgrad solcher von solarthermischen Kraftwerken aufweisen, sondern können viel billiger sein. Alles am Brennpunkt vorbeigehende Licht führt direkt zur gewünschten Klimaabkühlung. Licht, das auf den Brennpunkt fällt, dient hingegen der Gewinnung elektrischer Energie. Da die elektrische Energie, die solarthermisch mit einem konstruktionsbedingten Wirkungsgrad (oft um die 30%) erzeugt wird, fortgeleitet wird, findet auch dadurch indirekt eine Abkühlung der Gegend, in der ein solches Kraftwerk steht, statt. Statt solarthermisch läßt sich das (unscharf) gebündelte Licht natürlich auch photovoltaisch in elektrische Energie umwandeln. Solche Anlagen haben zwar einen geringeren Wirkungsgrad, können dafür aber auch in geringer Baugröße erstellt werden. Eine besonders einfach zu realisierende Variante der Erfindung stellen Kraftfahrzeuge dar, die mit einem Lack mit hohem Reflexions- oder Streuvermögen beschichtet sind, wenn diese tagsüber in der Sonne über einer Fläche mit geringerer Albedo geparkt werden und nachts in der Garage stehen. Dies entspricht den Spiegeln, die nachts entfernt werden. In Städten, die im Sommer besonders unter Überhitzung zu leiden haben, belegen am Straßenrand oder auf Parkplätzen geparkte Kraftfahrzeuge tagsüber einen nicht unerheblichen Anteil der Stadtfläche. Sind diese abends aus der Stadt verschwunden oder/und in Garagen untergebracht, liegt der darunterliegende dunkle Asphalt frei und kann seine Wärme abstrahlen. Kraftfahrzeuge mit einem Lack, der eine geringeres Rückstrahlvermögen als der Untergrund, auf dem sie parken, aufweist (schwarze und dunkle Lackierungen), verschlimmern hingegen das Problem der Überhitzung der Städte, indem sie fast das gesamte Sonnenlicht bodennah in Wärme umwandeln, die dort zwischen den Häusern gefangen bleibt.Larger accumulations of controlled mirrors for the purpose of cooling the air can thus also be used simultaneously to generate electrical energy. The mirrors do not have to have the perfection in form and reflectance of such solar thermal power plants, but can be much cheaper. Everything passing the focal point leads directly to the desired cooling of the air. Light that falls on the focal point, however, serves to generate electrical energy. Since the electrical energy, which is generated solar thermal with a design-related efficiency (often around 30%), is passed, also indirectly by a cooling of the area in which such a power plant is, instead. Of course, instead of solar thermal, the (blurred) focused light can also be photovoltaically converted into electrical energy. Although such systems have a lower efficiency, but can also be created in a small size. A particularly easy-to-implement variant of the invention are motor vehicles that are coated with a paint with high reflectivity or scattering power when they are parked in the sun over a lower albedo during the day and in the garage at night. This corresponds to the mirrors that are removed at night. In cities that suffer particularly from overheating in summer, motor vehicles parked on the side of the road or in parking lots occupy a not inconsiderable proportion of the city area during the day. If they disappear from the city in the evening and / or are housed in garages, the underlying dark asphalt is exposed and can radiate its warmth. By contrast, vehicles with a paint that has a lower reflectivity than the substrate on which they are parked (black and dark paint) aggravate the problem of overheating the cities by converting nearly all of the sunlight into heat near the ground Houses are trapped.
Die Erfindung gibt der Menschheit die notwendige Zeit, die ursächlichen Probleme der Klimaveränderung zu beseitigen, ohne in der Zwischenzeit unter deren verheerenden Folgen zu leiden. Sie erlaubt es, die Erde in einem künstlichen geregelten Gleichgewichtszustand zu halten, der fern ist von dem, der sich einstellen würde, wenn die Albedo nicht auf die erfinderische Weise geregelt würde. Sie erlaubt es auch, diesen Gleichgewichtszustand sehr schnell einzuregulieren! Temperaturänderungen erfolgen nämlich bereits in Minutenschnelle, wenn der Strahlungshaushalt verändert wird, wie jeder weiß, der schon eine Sonnenfinsternis miterlebt hat.The invention gives humanity the necessary time to eliminate the causal problems of climate change without, in the meantime, suffering its devastating consequences. It allows the earth to be kept in an artificially regulated state of equilibrium that is far from what would be expected if the albedo were not regulated in an innovative way. It also makes it possible to regulate this equilibrium state very quickly! Temperature changes take place within minutes if the radiation budget is changed, as anyone who has already witnessed a solar eclipse knows.
Es ist aber nicht wünschenswert, die erfindungsgemäße Regelung der Albedo als Dauerzustand einzurichten, da damit eben ein Klimazustand stabilisiert würde, der weit entfernt ist von dem, der ohne die erfindungsgemäßen Einrichtungen herrschen würde. Ein Ausfall der Einrichtungen durch Naturkatastrophen oder vor allem kriegerische Einwirkungen würde dann nämlich zu einer schnellen Klimaänderung in den neuen Gleichgewichtszustand führen, und das mit katastrophalen Folgen. Langfristig angestrebt werden muß daher der gegen Natur- und Kriegskatastrophen redundante Gleichgewichtszustand der Erde bei verminderter Konzentration von Treibhausgasen.However, it is not desirable to set up the albedo control according to the invention as a steady state since it would stabilize a climatic state that is far removed from that which would prevail without the devices according to the invention. A failure of the facilities due to natural disasters or, above all, military intervention would then lead to a rapid climate change to the new state of equilibrium, and with catastrophic consequences. In the long term, therefore, the Earth's state of equilibrium, which is redundant against natural and wartime catastrophes, must be achieved with a reduced concentration of greenhouse gases.
Die Erfindung läßt sich aber auch sehr gut zur Veränderung des Klimas anderer Planeten oder Monde verwenden, die für den Menschen bewohnbar gemacht werden sollen. Bei Planeten wie Mars, der von der Sonne weiter entfernt liegt als die Erde und der daher weniger Sonneneinstrahlung abbekommt und daher insgesamt durchschnittlich kälter ist, besteht das gegensätzliche Problem zur Klimaerwärmung auf der Erde: Der Planet soll aufgeheizt werden. Hierzu wird die Albedo des Planeten so geregelt, daß sie tagsüber verringert und nachts vergrößert wird. Im Idealzustand wird in der Marsnacht die Oberfläche oder Teile derselben verspiegelt, wodurch die am Marstag aufgenommene Wärme unter der Spiegelschicht zurückgehalten wird, wie in einer Thermosflasche. Im einfachsten Fall wäre die Marsoberfläche mit nachts verspiegelten oder allgemein thermisch isolierten „Gewächshäusern" besiedelt. However, the invention can also be used very well for changing the climate of other planets or moons that are to be made habitable for humans. For planets like Mars, which is farther from the sun than the earth and therefore gets less sunlight and therefore colder overall, there is the opposite problem of global warming: the planet should be heated. For this purpose, the albedo of the planet is regulated so that it is reduced during the day and increased at night. Ideally, on the night of Mars, the surface or parts of it are mirrored, whereby the heat absorbed on the Marst day is retained under the mirror layer, as in a thermos bottle. In the simplest case, the Martian surface would be populated with night-mirrored or generally thermally insulated "greenhouses".

Claims

ANSPRÜCHE
1. Verfahren zur Beeinflussung des Klimas und des Wetters über eine künstliche Veränderung der Albedo der Erdoberfläche, dadurch gekennzeichnet, daß die Albedo im wesentlichen in einem Tag-/Nachtrhythmus zeitgesteuert verändert wird.1. A method for influencing the climate and the weather via an artificial change in the albedo of the earth's surface, characterized in that the albedo is changed in a time-controlled substantially in a day / night rhythm.
2. Verfahren zur durchschnittlichen Abkühlung des Klimas und Wetters nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die Albedo bei größtenteils wolkenfreiem Himmel über die ganze oder die längste Zeit des Tages erhöht und während der ganzen oder der längsten Zeit der Nacht verringert wird.2. A method for average cooling of the climate and weather according to claim 1, characterized in that the albedo is increased in a mostly cloud-free sky over the whole or the longest time of the day and is reduced during the whole or the longest time of the night.
3. Verfahren zur durchschnittlichen Erwärmung des Klimas nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die Albedo bei größtenteils wolkenfreiem Himmel über die ganze oder die längste Zeit des Tages erniedrigt und während der ganzen oder der längsten Zeit der Nacht erhöht wird.3. A method for average warming of the climate according to claim 1, characterized in that the albedo is lowered in a mostly cloud-free sky over the whole or the longest time of the day and increased during the whole or the longest time of the night.
4. Verfahren zur durchschnittlichen Abkühlung des Klimas und Wetters nach mindestens einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Albedo tagsüber zu den Zeiten erhöht wird, zu denen die aus der Strahlungsintensität des einfallenden Sonnenlichtes von der Erdoberfläche geringerer Albedo absorbierte Energie größer wäre als die Strahlungsintensität der von ihr gleichzeitig abgestrahlten Wärmestrahlung.4. A method for average cooling of the climate and weather according to at least one of claims 1 and 2, characterized in that the albedo is increased during the day at the times when the absorbed from the radiation intensity of the incident sunlight from the earth's surface lower albedo energy would be greater as the radiation intensity of the heat radiation radiated by it at the same time.
5. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die zeitgesteuerte Veränderung der Albedo der Erdoberfläche durch Vergrößern und Verkleinern lichtreflektierender oder -streuender Flächen erfolgt, die sich auf oder mit Abstand über der Erdoberfläche befinden.5. The method according to at least one of claims 1 to 4, characterized in that the time-controlled change of the albedo of the earth's surface by zooming in and out of light-reflecting or scattering surfaces takes place, which are located at or above the earth's surface.
6. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die zeitgesteuerte Veränderung der Albedo der Erdoberfläche durch das Kippen, Zusammen- und Auseinanderfalten, Übereinander- und Auseinanderschieben oder Zusammenrollen und Aufrollen lichtreflektierender oder - streuender Flächen erfolgt.6. The method according to at least one of claims 1 to 5, characterized in that the time-controlled change of the albedo of the earth's surface by tilting, folding and unfolding, one above the other and sliding apart or rolling up and rolling up lichtreflektierender or - scattering surfaces.
7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß sie lichtreflektierende oder lichtstreuende Flächen aufweist, die in ihrer Größe und/oder Ausrichtung zur Erdoberfläche veränderbar sind, sowie mindestens eine zeitgesteuerte oder strahlungsintensitätsgesteuerte Regelungseinheit.7. Apparatus for carrying out the method according to at least one of claims 1 to 6, characterized in that it comprises light-reflecting or light-scattering surfaces which are variable in size and / or orientation to the earth's surface, and at least one time-controlled or radiation intensity-controlled control unit.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die lichtreflektierenden oder lichtstreuenden Flächen so hoch über dem Boden aufgeständert sind, daß in dem darunter veränderten Klima mit verändertem Strahlungs- und Feuchtehaushalt Landwirtschaft betrieben werden kann.8. The device according to claim 7, characterized in that the light-reflecting or light-scattering surfaces are elevated so high above the ground that can be operated in the climate changed with altered radiation and moisture budget agriculture.
9. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß es sich um eine Vielzahl von Spiegeln handelt, von denen wenigstens ein Teil so gesteuert ist, daß das auf sie einfallende Sonnenlicht auf eine gemeinsame Fläche konzentriert wird, wo es solarthermisch oder photovoltaisch teilweise in elektrische Energie umgewandelt wird, und daß die Spiegel nachts oder auch schon bei sehr flachem Sonnenstand senkrecht gestellt oder in ihrer Fläche verkleinert werden, um die Abstrahlung von Wärme des unter ihnen befindlichen Bodens/Materials nur noch wenig zu behindern. 9. Device according to at least one of claims 7 and 8, characterized in that it is a plurality of mirrors, of which at least one part is controlled so that the sunlight incident on them is concentrated on a common surface, where it solar thermal or photovoltaic is partially converted into electrical energy, and that the mirrors are placed vertically at night or even at very shallow sun or reduced in area to hinder the radiation of heat of the soil / material under them only a little.
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