WO2011113976A2 - Método y sistema para el control de la irradiación solar sobre la superficie terrestre mediante la dispersión controlada de aerosoles - Google Patents

Método y sistema para el control de la irradiación solar sobre la superficie terrestre mediante la dispersión controlada de aerosoles Download PDF

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WO2011113976A2
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Alfonso Miguel GAÑÁN CALVO
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Universidad De Sevilla
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    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01JCHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J13/00Colloid chemistry, e.g. the production of colloidal materials or their solutions, not otherwise provided for; Making microcapsules or microballoons
    • B01J13/0095Preparation of aerosols
    • 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 present invention falls within the field of environmental technologies and, more specifically, in geo-engineering, aimed at mitigating and, as far as possible, controlling the consequences of uncontrolled emission of greenhouse gases and global warming.
  • the mass of air resting on the earth's surface is approximately 5.5x10 18 kg. Of this mass, currently 0.04% (approximately 400 ppm) currently corresponds to C0 2 . Therefore, there are currently about 2 billion tons (2x10 15 kg) of C0 2 in the atmosphere.
  • the annual human emission of C0 2 amounts to 10% of this amount currently, quantified through global annual energy consumption, some 500 exams, of which more than 90% come from the combustion of oil, coal and gas. It is known that about 0.19 mg of C0 2 is produced on average per July generated. Therefore, the total annual emission of C0 2 can currently amount to about 90,000 million tons (9x10 13 kg).
  • the mass of aerosols of various natural and artificial origins amounts to one billionth of the mass of atmospheric air, that is, about 5.5x10 9 kg, mostly concentrated in the lower levels of the troposphere. It is known that between one fifth and one fourth of said mass of aerosols is of artificial origin or is caused by human activity. Said mass of human origin produces blocking optical effects that are already quantifiable at surface levels.
  • aerosols do not have a homogeneous vertical concentration in the atmosphere, nor is their effect the same at different levels.
  • the fraction of aerosols that reaches the stratosphere exhibits a persistence in suspension in that area far superior to that of lower zones, where they are precipitated mainly by descending currents, rain, snow or hail.
  • dispersion in large areas of high humidity can produce the nucleation of large masses of persistent clouds at low or high levels of different nature.
  • the albedo effect caused by aerosols is all the more intense the higher its height, within the atmospheric layer.
  • This invention seeks to introduce controlled modifications of the Earth's radiant balance to compensate for the negative effects of greenhouse gases ("carbon offsetting ').
  • new active control vectors of the global radiant batter defined in Kiehl and Trenberth 1997, Bull. Am. Metero. Soc. 78, 197-208 and the viability of said vectors is described, describing methods for the control of the solar irradiation that affects the terrestrial surface and its albedo effect, by means of the controlled dispersion of innocuous aerosols with determined physicochemical and optical properties. Said dispersion would be carried out in layers of the atmosphere where said aerosols can remain suspended for long enough times, as well as cover areas of sufficient length, or where their interaction with atmospheric vapor can generate enough nucleation, so that their effects are sufficiently significant and quantifiable
  • the proposed aerosols can be dispersed in lower regions of the stratosphere, where their persistence is larger, but is more limited than in other higher regions, and therefore, can offer a controlled lifespan, that is, in the event that an unwanted or unforeseen effect associated with this artificial action is observed, the temporary window of persistence of the observed effect will be very short.
  • the proposed aerosol dispersion would occur at different points or terrestrial coordinates from which, due to the local average meteorological conditions, its vertical distribution and its location in global currents, said dispersion would be maximized or optimized.
  • the optimization is formulated in a particular embodiment by means of an objective function of global radiant balance, estimated at a compensation around 1 W / m 2 , by an increase in the atmospheric optical thickness in the visible spectrum of the incident global solar radiation.
  • this balance would involve a permanent monitoring and analysis of the global climatic variables and their geographical distribution, as well as the stability of the global circulatory patterns, including temperature and humidity levels, rainfall, local, global and average wind speeds. and temporary, as well as its vertical distribution.
  • This objective function can make use of existing global numerical prediction codes (for example, AR4, cited in the IPCC Report 2007), counting as input parameters with historical weather and weather conditions from dates on which these conditions are available or deductibles, to predict the significant deviations that could be produced by the use of the proposed methods.
  • the proposed invention would also make use of the current means of monitoring and quantifying the global radiant balance (for example, the Geostationary Earth Radiation Budget -GERB- on board the Meteosat-8), and a ground measurement network of the meteorological and environmental effects produced by the proposed dispersions, to monitor the evolution and convergence of the variables towards the objective function or functions and / or the deviation of the trajectory of these variables towards the objectives, making auxiliary use of the predictions of the mentioned numerical codes.
  • Tools are therefore proposed for the active control of climate change and its artificial and controlled reorientation (Geoengineering), so that the natural atmospheric cover, and its dynamics fed by the radiant energy of the sun, is integrated into a global system of maintenance of favorable conditions for our development.
  • the proposed invention makes use of methods of production and controlled dispersion of aerosols, as well as their dynamics and kinetics physicochemical, designed based on their blocking optical properties of certain wavelength bands.
  • the controlled interaction of dispersed aerosols with the atmosphere and their components, mainly water vapor, would try to maximize the effects of optical blocking of certain wavelength ranges.
  • the present invention analyzes the feasibility of an artificial instrument for controlling the Earth's radiant balance using aerosols. As indicated, it can be estimated that a mass of one million tons of aerosols located in the lower levels of the stratosphere can produce a quantifiable deviation from the radiant balance of the Earth.
  • the vertical structure of the Earth's atmosphere therefore allows the creation of layers with optical properties of sufficient concentration and persistence to generate a controllable albedo effect through the use of aerosols.
  • the dispersion level can be determined by the most appropriate level of temporal persistence, but given the speed of stationary sedimentation of a particle of size around 10 microns with specific gravity such as water, about 3 millimeters per second, the reference level can be defined as 1 1,000 meters (taking into account the existence of regions of high turbulence), that is, the beginning level of the lower layer of the stratosphere. It is very interesting to emphasize here, for the purposes of this invention, that this is the usual flight height of commercial aircraft.
  • Example 1 Use of saline aerosols.
  • dispersed aerosols be splashes of seawater, either launched vertically from the sea surface, or from aerial vehicles. It is proposed to use nebulizer assemblies or arrays based on highly efficient pneumatic liquid nebulization technologies, such as Flow Focusing ® or Flow Blurring ®.
  • the terrestrial whirlpool amounts to about 1.4x10 21 kg, which houses a mass of sodium chloride and other mineral salts around 5x10 19 kg. Therefore, even in the case of a total evaporation of the dispersed salt water drops, a UMU means a fraction of salt mass corresponding to less than 20 parts per billion (> 20x10 12 ) of the total salt contained in the hydrosphere . Therefore, the global alterations caused by the kidnapping and delocalized precipitation of The raw material proposed for the present invention (in mass comparable to a UMU) should not be quantifiable except at the level of precision spectroscopic analysis. To have an idea of that amount, consider that salt concentrations in biomass, and in particular in human biomass, are millions of times higher than the fraction mentioned.
  • the average power required (or the ratio of 1 UEU / 1 UVU, that is, 362.76 MW, definable as a unit of demand power, UPD), can supply it, by example and without this being restrictive for the purposes of this invention, a network of less than 1000 wind turbines of power around 1 MW, strategically located along the entire sea surface.
  • the vertical penetration factor of the two-phase pneumatic jet is fundamentally a function of the Reynolds and Rayleigh numbers, as well as other parameters that quantify the relative effects of the evaporation of the drops and their kinetics, relative humidity, etc.
  • the lateral dispersion of the pneumatic jet produced by sets of individual cells in a large number is less than the effect of internal diffusion of the amount of movement between the individual jets and intervening phases (air flow and drops of liquid), in the first stages of development of the jet.
  • the aerosol jet has a smaller diameter than at the exit of the nebulizer matrix itself, and its velocity is such that It has been homogenized for the two intervening phases (carrier and dispersed).
  • the diameter and the average speed of the jet can be estimated by means of a balance of mass and mechanical energy of the resulting biphasic flow, with negligible diffusion with respect to the outside. From said balance, it is obtained that the diameter of the jet D g is approximately, in the total absence of lateral dispersion, where D, ⁇ /, m and m g are the diameter of the individual holes, the number of said holes, the mass flow of liquid and the mass flow of air, respectively.
  • the average speed of both phases would be approximately:
  • Another example of the dispersion mode of aerosols is the use of commercial or similar regular-line airplanes, which would discharge saline aerosols, in the course of their commercial trips, using Flow Focusing® or Flow Blurring® nebulizers, when said aircraft reached the cruise level If said dispersion If the commercial passenger airplanes are regularly carried out, to get an idea of the cost demanded from the airlines, consider that, as noted above, an UEU means 0.02% of the annual global energy consumption of commercial airlines. In fact, the average number of commercial airplanes flying over the surface of the Earth at lower levels of the stratosphere is around 10 4 , at present.
  • this extra consumption implies an extra load of less than 15 kg of kerosene for a 2-hour flight at cruising speed.
  • the extra load corresponding to saline water or brine (pre-concentrated until saturation) on each scheduled flight should be able to supply a flow rate around 200-300 grams of brine per second throughout the flight.
  • the extra load would be about 1.5 Tm, which in turn would require an extra consumption of about 6.5 kg of kerosene to lift that load to 11,000 meters.
  • dispersion level the dispersion level, its geographical location, and the size distribution of dispersed saline aerosols are fundamental variables for the optimization of the operation of the proposed invention. Said optimization can finally make the energy cost of the proposed aerosol generation substantially reduced. Finally, it is necessary to emphasize again that this example intends a palliative or corrective effect of the climatic consequences that may derive from the current peak of emissions due to the consumption of petroleum-derived fuels.

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Abstract

Método para el control de la irradiación solar sobre la superficie terrestre mediante la dispersión controlada de aerosoles del tipo que emplean tecnologías Flow Burring® y/o Flow Focusing® que se caracteriza porque comprende (i) una etapa de dispersión controlada de aerosoles inocuos en la atmósfera, en donde dichos aerosoles se consiguen mediante la nebulización masiva de una solución acuosa; y (ii) una etapa de observación y cálculo del balance radiante local y global.

Description

MÉTODO Y SISTEMA PARA EL CONTROL DE LA IRRADIACIÓN SOLAR SOBRE LA SUPERFICIE TERRESTRE MEDIANTE LA DISPERSIÓN CONTROLADA DE AERSOLES.
La presente invención se encuadra en el sector de las tecnologías medioambientales y, más concretamente, en la de geo-ingeniería, encaminado a mitigar y, en la medida de lo posible, controlar las consecuencias de la emisión incontrolada de gases de efecto invernadero y el calentamiento global.
ESTADO DE LA TÉCNICA ANTERIOR
La masa de aire que descansa sobre la superficie terrestre es de aproximadamente unos 5.5x1018 kg. De esta masa, actualmente un 0.04% (400 ppm aproximadamente) corresponde actualmente al C02. Por tanto, en la actualidad existen en la atmósfera unos 2 billones de toneladas (2x1015 kg) de C02. La emisión humana anual de C02 asciende a un 10% de esta cantidad actualmente, cuantificada a través del consumo energético anual mundial, unos 500 exajulios, de los cuales más del 90% provienen de la combustión de petróleo, carbón y gas. Se sabe que se produce de media unos 0.19 mg de C02 por julio generado. Por tanto, la emisión total anual de C02 puede ascender en la actualidad a unos 90.000 millones de toneladas (9x1013 kg).
Actualmente, se estima que la masa de aerosoles de diversos orígenes naturales y artificiales asciende a una milmillonésima parte de la masa de aire atmosférica, es decir, unos 5.5x109 kg, la mayor parte concentrada en los niveles inferiores de la troposfera. Se sabe que entre una quinta y una cuarta parte de dicha masa de aerosoles es de origen artificial o está provocada por la actividad humana. Dicha masa de origen humano produce efectos ópticos bloqueantes que ya son cuantificables a niveles de superficie.
Estudios recientes del efecto de los aerosoles en el continente africano (Paeth & Feichter 2005, Climate Dynamics 26, 35-54) permiten estimar que una masa de aerosoles dispersos en la atmósfera equivalente a unos 20-25 mg producirían un efecto albedo compensador del efecto invernadero de 1 kg de C02, en cuanto a balance radiante global, aunque hay que admitir que el grado de incertidumbre en esta medida es mucho mayor que el grado de incertidumbre en el efecto de calentamiento estrictamente achacable al C02. Aun así, admitiendo el grado de incertidumbre involucrado, los cálculos anteriores permiten estimar que una masa de aerosoles inocuos en torno a unos 2 millones de toneladas podrían compensar en caso de necesidad las emisiones anuales de C02 debidas a la actividad humana.
De este resultado se puede inferir un dato básico para el cálculo que interesa a esta invención. En efecto, en términos globales, se ha determinado experimentalmente (Paeth & Feichter 2005, Climate Dynamics 26, 35-54) que concentraciones másicas de aerosoles del orden de un quinto de milmillonésima parte en masa en la atmósfera producen efectos medibles. Esto lleva a que la dispersión en la atmósfera de una masa en torno a un millón de toneladas (109 kg) de aerosoles produciría efectos con consecuencias ópticas medibles en mayor o menor grado a escala global como función del tamaño, geometría, estructura y composición química de dichos aerosoles. Esta masa de 109 kg, curiosamente, coincide con la que indica el Premio Nobel Paul J. Crutzen en su ensayo publicado en Climatic Change (2006), 77, 21 1-219, en defensa de la inyección de aerosoles de azufre en la atmósfera para modificar su efecto albedo.
En general, los aerosoles no presentan una concentración vertical homogénea en la atmósfera, ni su efecto es el mismo a distintas cotas. De hecho, la fracción de aerosoles que alcanza la estratosfera exhibe una persistencia en suspensión en esa zona muy superior a la de zonas inferiores, donde son precipitados fundamentalmente por corrientes descendentes, lluvia, nieve o granizo. Además, la dispersión en zonas extensas de elevada humedad puede producir la nucleación de grandes masas de nubes persistentes a cotas bajas o altas de distinta naturaleza. Por otro lado, el efecto albedo provocado por aerosoles es tanto más intenso cuanto mayor es su altura, dentro de la capa atmosférica.
Se desconoce por parte del inventor, experto en la materia de ningún método o procedimiento que contenga las características esenciales de la invención tal y como se describen a continuación.
EXPLICACIÓN DE LA INVENCIÓN
Esta invención trata de introducir modificaciones controladas del balance radiante de la Tierra para compensar los efectos negativos de los gases de efecto invernadero ("carbón offsetting'). Así, se proponen unos nuevos vectores de control activo del batanee radiante global (definido en Kiehl and Trenberth 1997, Bull. Am. Metero. Soc. 78, 197-208) y se describe la viabilidad de dichos vectores, describiendo métodos para el control de la irradiación solar que incide sobre la superficie terrestre y su efecto albedo, mediante la dispersión controlada de aerosoles inocuos con propiedades fisicoquímicas y ópticas determinadas. Dicha dispersión se realizaría con en capas de la atmósfera donde dichos aerosoles pueden permanecer suspendidos durante tiempos suficientemente largos, así como cubrir áreas de suficiente extensión, o donde su interacción con el vapor atmosférico pueda generar suficiente nucleación, para que sus efectos sean suficientemente significativos y cuantificables.
En una realización particular de la invención, para logra los efectos deseados, los aerosoles propuestos pueden dispersarse en regiones inferiores de la estratosfera, donde su persistencia es más grande, pero está más limitada que en otras regiones más altas, y por tanto, pueden ofrecer una vida útil controlada, es decir, que en el caso que se observase un efecto no deseado o imprevisto asociado a esta acción artificial, la ventana temporal de persistencia del efecto observado será muy corta. La dispersión de los aerosoles propuesta se produciría en distintos puntos o coordenadas terrestres desde los que, debido a las condiciones meteorológicas medias locales, su distribución vertical y su localización en corrientes globales, se maximizaría u optimizaría dicha dispersión.
La optimización se formula en una realización particular mediante una función objetivo de balance radiante global, estimado en una compensación en torno a 1 W/m2, mediante un incremento del espesor óptico atmosférico en el espectro visible de la radiación solar global incidente. Naturalmente, el análisis de dicho balance involucraría una monitorización y análisis permanente de las variables climáticas globales y su distribución geográfica, así como la estabilidad de los patrones circulatorios globales, incluyendo niveles de temperatura y humedad, precipitaciones y velocidades de viento locales, globales, medios y temporales, así como su distribución vertical. Dicha función objetivo puede hacer uso de códigos numéricos de predicción globales ya existentes (por ejemplo, el AR4, citado en el IPCC Report 2007), contando como parámetros de entrada con las condiciones climáticas y meteorológicas históricas desde fechas en las que dichas condiciones son disponibles o deducibles, para predecir las desviaciones significativas que pudieran producirse por el uso de los métodos propuestos.
La invención propuesta haría también uso de los medios actuales de monitorización y cuantificación del balance radiante global (por ejemplo, el Geostationary Earth Radiation Budget -GERB- a bordo del Meteosat-8), y una red de medición en tierra de los efectos meteorológicos y ambientales producidos por las dispersiones propuestas, para monitorizar la evolución y convergencia de las variables hacia la función o funciones objetivo y/o la desviación de la trayectoria de dichas variables hacia los objetivos, haciendo uso auxiliar de las predicciones de los códigos numéricos mencionados. Se proponen por tanto herramientas para el control activo del cambio climático y su reorientación artificial y controlada (Geoingeniería), de manera que la cubierta atmosférica natural, y su dinámica alimentada por la energía radiante del sol, sea integrada en un sistema global de mantenimiento de las condiciones favorables para nuestro desarrollo. A este respecto, es interesante resaltar el hecho obvio de que la evolución biológica e intelectual de la especie humana lleva asociada escalas de tiempo mucho más largas que los tiempos característicos de su actividad global y los efectos globales que provoca, con lo cual la especie humana se convierte en su propia víctima: en general no podría adaptarse lo suficientemente rápido a los cambio provocados. Estas consideraciones nutren la idea de que, para evitar grandes niveles de sufrimiento globales, sería útil poder contar con el conocimiento profundo y las herramientas que permitieran intervenir correctivamente en la dinámica global (como si de un "jardín" se tratase), ya que nuestro desarrollo como especie ha conllevado acciones incontroladas sobre dicha dinámica.
En particular, al describir esta invención se hace un especial énfasis en el análisis de su factibilidad a través de tecnologías actualmente disponibles.
A lo largo de la descripción y las reivindicaciones la palabra "comprende" y sus variantes no pretenden excluir otras características técnicas, aditivos, componentes o pasos. Para los expertos en la materia, otros objetos, ventajas y características de la invención se desprenderán en parte de la descripción y en parte de la práctica de la invención. Los siguientes ejemplos se proporcionan a modo de ilustración, y no se pretende que sean limitativos de la presente invención. Además, la presente invención cubre todas las posibles combinaciones de realizaciones particulares y preferidas aquí indicadas.
EXPOSICIÓN DETALLADA DE MODOS DE REALIZACIÓN Y EJEMPLOS
Como ha sido previamente indicado, la invención propuesta hace uso de métodos de producción y dispersión controlada de aerosoles, así como su dinámica y cinética fisicoquímica, diseñados en función de sus propiedades ópticas bloqueantes de determinadas bandas de longitudes de onda. La interacción controlada de los aerosoles dispersados con la atmósfera y sus componentes, fundamentalmente el vapor de agua, trataría de maximizar los efectos de bloqueo óptico de determinados rangos de longitudes de onda.
Debido a la elevada complejidad de los mecanismos involucrados, la presente invención analiza la factibilidad de un instrumento artificial del control del balance radiante de la Tierra usando aerosoles. Como se ha indicado, cabe estimar que una masa de aerosoles de un millón de toneladas situada en los niveles inferiores de la estratosfera puede producir una desviación cuantificable del balance radiante de la Tierra. La estructura vertical de la atmósfera terrestre permite por tanto la creación de capas con propiedades ópticas de suficiente concentración y persistencia para generar un efecto albedo controlable mediante el uso de aerosoles. Se puede definir un índice de referencia útil para esta invención, o unidad de masa útil (UMU) de aerosoles, como un millón de toneladas de un aerosol con propiedades físico- químicas tales que produjese propiedades ópticas equivalentes (en términos de sus efectos radiantes globales, incluyendo los resultantes de su interacción con el vapor de agua atmosférico) a una profundidad óptica de 0.007 en el espectro visible, en los niveles inferiores de la estratosfera (11.000 metros de altitud). Definamos entonces 1 UMU=109 kg.
Por otro lado, es necesario introducir un índice de referencia temporal útil que refleje la inercia del sistema activo empleado, en este caso los aerosoles dispersados, y que sirva como parámetro fundamental de respuesta del sistema global para garantizar su controlabilidad. En este sentido, el tiempo orbital alrededor del sol establecería una cota para el tiempo máximo de persistencia. Además, la persistencia nunca debería ser superior al tiempo estacional, para evitar la aparición de respuestas subarmónicas inducidas por los ciclos de persistencia, que podrían hacer incontrolable el sistema global por fenómenos como resonancias o bombeos paramétricos (por ejemplo, este tipo de fenómenos se han materializado en el pasado en los períodos de glaciación conocidos). Por tanto, si la persistencia de los aerosoles se define estacionalmente, su vida media útil debería estar en torno a los tres meses. Por otro lado, desde el punto de vista de los costes de dispersión, cuanto mayor es la persistencia menores son dichos costes. Por tanto, para los efectos de esta invención, puede definirse una unidad temporal de vida media útil de para una dispersión de aerosoles igual a tres meses (definamos la Unidad de Vida Útil como 1 UVU=7.9x106 segundos). Finalmente, la cota de dispersión puede quedar determinada por el nivel de persistencia temporal más apropiado, pero dada la velocidad de sedimentación estacionaria de una partícula de tamaño en torno a 10 mieras con gravedad específica como la del agua, unos 3 milímetros por segundo, la cota de referencia puede definirse como 1 1.000 metros (teniendo en cuenta la existencia de regiones de elevada turbulencia), es decir, la cota de comienzo de la capa inferior de la estratosfera. Es muy interesante enfatizar aquí, para los efectos de esta invención, que esa es la cota usual de vuelo de los aviones comerciales.
Ejemplo 1. Uso de aerosoles salinos.
Por ejemplo, y sin que éste pueda considerarse restrictivo para los efectos de esta invención, se propone que los aerosoles dispersados sean espráis de agua de mar, bien lanzados en vertical desde la superficie marina, o desde vehículos aéreos. Se propone para ello el uso de conjuntos o matrices de nebulizadores basados en tecnologías neumáticas altamente eficientes de nebulización de líquidos, como por ejemplo Flow Focusing ® o Flow Blurring ®.
Las ventajas fundamentales de la dispersión de aerosoles salinos (que puedan dar lugar a micro o nano-cristales de sal marina en la atmósfera), o de los microcristales de hielo a los que pueden dar lugar, provienen de sus propiedades:
- Alto índice de reflexión (máximo para tamaños superiores a las longitudes de onda que se desean bloquear), sobre todo cuando dan lugar a micro- cristales de hielo (por ejemplo, en los cirros).
- Alta higroscopicidad.
Origen natural.
Presencia en la atmósfera desde eras geológicas remotas (menor riesgo de impacto medioambiental imprevisible).
- Proceden de una fuente inagotable, ya que permiten un total reciclaje.
La hidromasa terrestre asciende a unos 1.4x1021 kg, que alberga una masa de cloruro sódico y otras sales minerales en torno a 5x1019 kg. Por tanto, incluso en el supuesto de una total evaporación de las gotas de agua salada dispersadas, una UMU significa una fracción de masa de sal correspondiente a menos de 20 partes por billón (>20x10 12) del total de la sal contenida en la hidrosfera. Por tanto, las alteraciones globales provocadas por el secuestro y la precipitación deslocalizada de la materia prima propuesta para la presente invención (en masa comparable a una UMU) no deberían ser cuantificables más que a nivel de análisis espectroscópico de precisión. Para tener una ¡dea de dicha cuantía, considérese que las concentraciones salinas en la biomasa, y en particular en la biomasa humana, son millones de veces superiores a la fracción mencionada.
Por otro lado, es necesario analizar el coste energético de la invención propuesta. Las mediciones realizadas en laboratorio y en aplicaciones reales de las tecnologías Flow Focusing® o Flow Blurring® indican que el coste energético para la dispersión de 1 kg de agua en forma de microgotas de tamaño inferior a 20 micrómetros (específicamente, el 99% de la masa contenida en gotas de tamaño inferior a 20 micrómetros) está en el rango de 1 a 100 kilojulios, siendo los costes más bajos para las configuraciones geométricas más precisas y pequeñas (nebulizadores Flow Focusing® con orificios de salida de tamaño inferior a 50 mieras) y en condiciones de operación muy controladas. Los costes energéticos más altos corresponden a las configuraciones Flow Blurring®, que producen una amplia concentración de gotas hasta los rangos nanométricos e incluso moleculares, y son mucho más flexibles en cuanto a condiciones de operación. Por tanto, puede definirse una unidad de energía útil (UEU) equivalente a la requerida por un nebulizador Flow Blurring® para dispersar en forma de aerosol salino seco una cantidad equivalente a una UMU, sabiendo que la concentración media salina de la hidrosfera es de unos 3.5 gramos por kg de agua. Es decir, podemos definir 1 UEU=2.86x1015 julios.
Las estimaciones y datos anteriores indican que, teniendo en cuenta el consumo energético global anual de la especie humana en torno a los 500 exajulios (5x1020 julios), el coste energético del procedimiento propuesto en esta invención, comparable a una UEU, requeriría una fracción inferior a la cienmilésima parte del consumo global anual humano. Si se tiene en cuenta que el consumo energético del transporte aéreo equivale en torno a un 3% del consumo global anual (y produce en torno al 3% de las emisiones de C02 mundiales), en torno a 1.5x1019 julios, una UEU equivale a un 0.02 % del consumo global anual del transporte aéreo (no obstante, debido a que una UVU es 4 veces inferior a un año, dicho porcentaje se incrementaría hasta el 0.1 % aproximadamente).
Más aun, si tuviera que ser dispersado a escala global una UMU estacionalmente, la potencia media requerida (o el cociente de 1 UEU/1 UVU, es decir, 362.76 MW, definible como unidad de potencia demandable, UPD), la puede abastecer, por ejemplo y sin que esto sea restrictivo para los efectos de esta invención, una red de menos de 1000 turbinas de viento de potencia en torno a 1 MW, situadas estratégicamente a lo largo de toda la superficie marina.
Lógicamente, para dotar a la red de capacidad de respuesta y control, y poder desacoplarla de efectos puramente estacionales, podría dimensionarse para que pudiera suplir de 10 a 20 veces una UPD. Dichas turbinas de viento estarían específicamente diseñadas para extraer y filtrar agua marina, y dispersarla en forma de grandes chorros neumáticos bifásicos (aire y gotas de agua salina) dirigidos verticalmente. Para ello, las turbinas contarían con un gran nebulizador que, por ejemplo, podría albergar en torno a 1 millón de celdas u orificios individuales.
Para analizar la factibilidad de la dispersión en vertical de los aerosoles desde la cota marina, puede considerarse la dinámica de los chorros bifásicos producidos. El factor de penetración vertical del chorro neumático bifásico es fundamentalmente función de los números de Reynolds y Rayleigh, así como de otros parámetros que cuantifican los efectos relativos de la evaporación de las gotas y su cinética, humedad relativa, etc. En medidas realizadas experimentalmente, se ha demostrado que la dispersión lateral del chorro neumático producido por conjuntos de celdas individuales en un número elevado es inferior al efecto de la difusión interna de cantidad de movimiento entre los chorros individuales y fases intervinientes (corriente de aire y gotas de líquido), en los primeros estadios de desarrollo del chorro. De esta forma, por demanda de la conservación de la masa, a una cierta distancia de los orificios de salida, el chorro de aerosol llega a tener un diámetro menor que a la salida de la propia matriz de nebulizadores, y su velocidad es tal que se ha homogeneizado para las dos fases intervinientes (portadora y dispersa). Cuanto mayor es la matriz de nebulizadores, menor es el efecto de difusión lateral frente al de difusión interna, y los orificios de salida más internos se encuentran aislados o "apantallados" respecto al exterior.
Por tanto, puede estimarse el diámetro y la velocidad media del chorro mediante un balance de masa y energía mecánica del flujo bifásico resultante, con difusión despreciable respecto al exterior. A partir de dicho balance, se obtiene que el diámetro del chorro Dg es aproximadamente, en ausencia total de dispersión lateral,
Figure imgf000010_0001
donde D, Λ/, m¡ y mg son el diámetro de los orificios individuales, el número de dichos orificios, el caudal másico de líquido y el caudal másico de aire, respectivamente. La velocidad promedio u de ambas fases sería aproximadamente:
-1/2
m.
+ 1 U
m, donde U sería la velocidad de descarga del gas a través del orificio. Para relaciones de flujo usuales (por ejemplo, del orden de 0.1), m¡
la velocidad resultante tras la difusión interna, exclusivamente, sería comparable a la de descarga de los orificios. Dado que dicha velocidad de descarga es comparable a la del sonido, se obtienen velocidades muy altas a distancias grandes del punto de descarga, comparadas con diámetro de la matriz de orificios. Por otra parte, se ha observado que la presencia de una fase dispersa favorece la persistencia de la estructura interna del flujo, dotándolo de una especie de "rigidez" cinemática (cuantificable a través de un aumento de la viscosidad cinemática efectiva media bifásica) que lo hace más penetrante y menos susceptible de desarrollar inestabilidades globales, que lo llevarían a una difusión turbulenta rápida y efectiva, como ocurre en la mayoría de chorros a números de Reynolds suficientemente altos. Además, dadas las dimensiones de dichos chorros y la rápida disminución de la densidad del aire en vertical, una inversión energética en producir un pequeño aumento de temperatura del aire expulsado produciría una fuerza de flotación y un efecto de persistencia hasta alturas del orden de las estratosféricas. Dichas estimaciones sencillas y observaciones experimentales respaldan la factibilidad del ejemplo propuesto para la realización de la invención.
Otro ejemplo de modo de dispersión de los aerosoles es el uso de aviones de líneas regulares comerciales o similares, que descargarían los aerosoles salinos, en el curso de sus viajes comerciales, mediante nebulizadores Flow Focusing® o Flow Blurring®, cuando dichos aviones alcanzasen la cota de crucero. Si dicha dispersión ia realizaran regularmente los aviones comerciales de pasajeros, para tener una idea del coste demandado a las compañías de aerolíneas, considérese que, como se ha apuntado anteriormente, una UEU significa un 0.02% del consumo energético global anual de las aerolíneas comerciales. En efecto, el número medio de aviones comerciales sobrevolando cada instante la superficie terrestre en los niveles inferiores de la estratosfera está en torno a 104, actualmente. Dividiendo una UPD por dicho número, se obtiene una potencia demandable por avión en vuelo en torno a los 36.27 kW (48.65 CV), equivalente al quemado de 2 gramos de keroseno por segundo con una eficiencia en torno al 50-60%. Para comprobar el nivel de consistencia de los cálculos, considérese que se consume en media en torno a 1 kg de keroseno por segundo en vuelo de crucero, con lo cual, contando con una eficiencia del 50%, el consumo instantáneo requerido está en torno a 0.2% del consumo total instantáneo. Recuérdese que cuatro UEU's (una UVU es ¼ de año) requería un 0.1% del consumo global anual de las aerolíneas, y considerando una eficiencia del 50-60%, lleva al 0.2% del consumo total instantáneo que habíamos calculado anteriormente. Por tanto, este consumo extra implica una carga extra de menos de 15 kg de keroseno para un vuelo de 2 horas a velocidad de crucero. La carga extra correspondiente al agua salina o salmuera (pre-concentrada hasta la saturación) en cada vuelo programado debería poder suministrar un caudal en torno a los 200-300 gramos de salmuera por segundo a lo largo del vuelo. Para un vuelo de 2 horas, la carga extra serían unas 1.5 Tm, que a su vez demandaría un consumo extra de unos 6.5 kg de keroseno para elevar dicha carga hasta los 11.000 metros.
Es necesario remarcar en este ejemplo referido a la utilización de aerosoles salinos que los cálculos realizados hasta ahora han hecho uso de la simplificación de que el aerosol se seca en su totalidad cuando es dispersado en la atmósfera. Naturalmente, la higroscopicidad de la sal marina hace que esta hipótesis no se cumpla en general, y que la masa útil de aerosoles dispersada sea a efectos prácticos mucho mayor que la correspondiente al residuo seco. Como se trata de maximizar los efectos ópticos bloqueantes de la dispersión, se puede hacer uso tanto de las propias características ópticas de los aerosoles salinos como de su capacidad de nucleación del vapor de agua y formación de nubes, que también provocan un efecto albedo significativo. Por ello, la cota de dispersión, su localización geográfica, y la distribución de tamaños de los aerosoles salinos dispersados son variables fundamentales para la optimización del funcionamiento de la invención propuesta. Dicha optimización puede hacer que, finalmente, el coste energético de la generación de los aerosoles propuesta pueda reducirse sustancialmente. Por último, es necesario enfatizar de nuevo que este ejemplo pretende un efecto paliativo o corrector de las consecuencias climáticas que pueden derivarse del pico actual de emisiones debidas al consumo de combustibles derivados del petróleo.

Claims

REIVINDICACIONES
1. - Método para el control de la irradiación solar sobre la superficie terrestre mediante la dispersión controlada de aerosoles del tipo que emplean tecnologías Flow Burring® y/o Flow Focusing® que se caracteriza porque comprende (i) una etapa de dispersión controlada de aerosoles inocuos en la atmósfera, en donde dichos aerosoles se consiguen mediante la nebulización masiva de una solución acuosa; y (i¡) una etapa de observación y cálculo del balance radiante local y global.
2. - Método de acuerdo con la reivindicación 1 que se caracteriza porque la solución acuosa es agua de mar.
3. - Método de acuerdo con la reivindicación 1 que se caracteriza porque la solución acuosa es una solución de sales minerales u orgánicas en concentraciones desde cero hasta el doble del punto de saturación a temperatura y presión estándar.
4. - Método de acuerdo con las reivindicaciones anteriores que se caracteriza porque la dispersión controlada de aerosoles se realiza desde puntos fijos o móviles sobre la superficie terrestre situados a una altura comprendida entre los 0 y los 20.000 metros sobre el nivel del mar.
5. - Método de acuerdo con las reivindicaciones anteriores que se caracteriza porque el balance radiante global es determinado mediante sistemas de monitorización desde satélites, por observaciones de la distribución del espesor óptico atmosférico de los aerosoles dispersados y de su combinación con los aerosoles existentes en la atmósfera y de la distribución geográfica global de las temperaturas como función del tiempo.
6. - Sistema para el control de la irradiación solar sobre la superficie terrestre mediante la dispersión controlada de aerosoles configurado para ejecutar el método de las reivindicaciones 1 a 5 y que se caracteriza porque comprende, al menos, (a) una pluralidad de puntos fijos o móviles de dispersión de aerosoles a la atmósfera sobre la superficie terrestre, situados sobre el nivel del mar a una altura comprendida entre los 0 y los 20,000 metros; y (b) medios de observación y computación del balance radiante de la Tierra.
7. - Sistema de acuerdo con la reivindicación 6 que se caracteriza porque los medios de observación del balance radiante global comprenden, al menos, una pluralidad de medios de observación, seguimiento y recopilación de (i) las variables meteorológicas en su distribución geográfica y en altura, (ii) la intensidad y contenido espectral de la radiación incidente en el planeta Tierra, y (¡ii) la intensidad, contenido espectral, y distribución geográfica de la radiación emitida por el planeta hacia el espacio exterior.
8. - Sistema de acuerdo con las reivindicaciones 6 y 7 que se caracteriza porque los medios de computación del balance radiante comprenden, a su vez, medios para la predicción de la evolución de las variables meteorológicas y su distribución geográfica en altura, de tal forma que se establezca un grado o función de correlación de (a) las dispersiones de aerosoles, su intensidad, tamaño de partículas y altura de la dispersión sobre el nivel del mar, con (b) la evolución observada de las variables meteorológicas y del balance radiante global; y en donde dichos medios estiman en cada momento los valores óptimos de la intensidad de las emisiones de aerosoles desde los distintos puntos geográficos, tamaño de partículas, y altura de la dispersión a nivel del mar; dichos valores óptimos son determinados mediante la función de correlación definida y una función objetivo basada en variables económicas y de conservación medioambiental.
9. - Sistema de acuerdo con las reivindicación 8 que se caracteriza porque los medios de computación emplean redes neuronales.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6174469B1 (en) * 1996-05-13 2001-01-16 Universidad De Sevilla Device and method for creating dry particles

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6174469B1 (en) * 1996-05-13 2001-01-16 Universidad De Sevilla Device and method for creating dry particles

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
BOWER, K. ET AL.: 'Computational assessment of a proposed technique for global warming mitigation via albedo-enhancement of marine stratocumulus clouds.' ATMOSPHERIC RESEARCH, [Online] vol. 82, no. 1-2, November 2006, pages 328 - 336 Retrieved from the Internet: <URL:http://www.sciencedirect.com/science/a rticle/pii/S0169809506000445> <DOI: 10.1016/j.atmosres.2005.11.013> [retrieved on 2011-05-09] *
HARRIES, J.E. ET AL.: 'The geostationary earth radiation budget project.' BULLETIN OF THE AMERICAN METEOROLOGICAL SOCIETY., [Online] vol. 86, no. 7, July 2005, pages 945 - 960 Retrieved from the Internet: <URL:http://journals.ametsoc.org/doi/pdf/10 .1175/BAMS-86-7- 945> <DOI: 10.1175/BAMS-86-7-945> [retrieved on 2011-09-07] *
SENKAL, O ET AL.: 'Estimation of solar radiation over Turkey using artificial neural network and satellite data.' APPLIED ENERGY, [Online] vol. 86, no. 7-8, July 2009, pages 1222 - 1228 Retrieved from the Internet: <URL:http://www.sciencedirect.com/science/a rticle/pii/S0306261908001578> <DOI: 10.1016/j.apenergy.2008.06.003> [retrieved on 2011-09-05] *

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