用于减少太阳辐射的地球工程学方法与流程

发明领域本发明涉及促进减少太阳辐射，且尤其是减少影响地球的表面的可见光辐射和红外辐射的方法。换言之，本发明涉及据信有潜力影响地球的变暖气候中的积极变化的“太阳地球工程学”技术。本发明还涉及可用于实施该方法的系统。

背景技术：

0、发明背景

1、地球和大气之间的能量平衡是来自太阳的进入的太阳能和来自地球的离开的能量之间的能量平衡。释放的太阳能作为短波光和紫外能量发射。当其到达地球时，一些被云反射回到太空，一些被大气吸收，并且一些在地球的表面处被吸收。然而，由于地球比太阳冷得多，其辐射能量是弱得多(长波长)的红外能量。基本上100％的供给地球燃料的能量来自太阳。为了保持恒定的全球平均温度，进入地球的大气的所有太阳的辐射必须最终被送回到太空。这通过经由以下的方式的地球的能量平衡而实现：被陆地和海洋吸收的能量(～50％)；被云、地球的表面以及大气中的不同气体和粒子直接反射回到太空的能量(～30％)；和被大气和云吸收的能量(～20％)。该被地球的表面、云和大气吸收的70％的太阳能导致变暖并影响区域气候。具有温度的任何物体或气体向外发射辐射，并且这最终被重新辐射回到太空中。这些效应一天24小时发生。

2、试图从地球逃逸回到太空的红外辐射的吸收对全球能量平衡特别重要。与如果不存在大气将发生的情况相比，大气的能量吸收在其表面附近储存了更多的能量。不具有大气的地球的月球的平均表面温度为0°f(-18℃)。相比之下，地球的平均表面温度为59°f(15℃)。这种所致的加热效应被称为温室效应。辐射强迫(radiative forcing)(rf)代表行星的能量失衡的程度，并且是进入和离开的辐射之间的差。以与推动物理对象将造成其变得失去平衡并移动相同的方式，气候强迫因子(cff)将改变气候系统。当rf导致进入的能量大于离开的能量时，地球将变暖。这代表正cff。由于地球的大气的组成中的持续变化，尤其是就温室气体(ghg)的增加的浓度而言，因此地球的大气捕获红外辐射的能力在增加，以使rf提高到使得地球的陆地块和海洋在逐渐变暖到潜在有害程度的水平。

3、ghg浓度的显著升高与工业革命的开始一致，并因此最近平均全球温度的升高被称为“人为气候变化”。对这种效应的注意已经发生了几十年，并且即使没有完全量化，也可以注意到对区域和全球气候、极地冰盖、农业和许多社会经济行为和系统的所致影响。对这些现象的全球研究的最终结果是呼吁人类利用所有可能的资源和智慧找到减少负面影响的方法，以促使平均地球表面温度更符合可以合理地维持人口增长和社会经济需求(包括农业需求)的温度。政府间气候变化专门委员会(intergovernmental panel on climatechange)所推荐的主要努力涉及将净ghg排放降低到将最好地维持地球上的生命的水平。然而，经济学家和政治学家认识到这些努力伴随着全球公民的经济繁荣的代价(或成本)。面对这一现实，科学家已经开始利用地球工程学手段减低辐射强迫的努力，其中一种是太阳辐射管理(srm)。

4、美国专利8，033，879(lambert)提供了对气候变化问题和世界各地的研究人员利用被称为“地球工程学”或“地球化(terraforming)”的努力，包括“太阳地球工程学”进行干预的各种尝试的大量讨论。已经清楚地发现一些努力在一些方面是危险的、有害的或徒劳的。另一些努力不容易评估，或至少结果还无法恰当地分析。

5、拥有减少地球的表面及其大气所接收的太阳辐射的目标的srm由于抵消主要由自然和人为过程二者释放到大气中的ghg所引起的变暖趋势而一直得到关注。srm被建议作为管理气候变化的一些后果的方法。已经提出通过将海水喷洒到空气中而使云变白(提高它们的反射率)、使表面(如建筑物和作物)更具反射性、将辐射反射性粒子或酸注入平流层中或将辐射遮蔽材料放到太空中，并且可以在一定程度上提供提高地球的反射率的潜力，由此抵消由ghg所引起的一定的变暖。然而，到目前为止，这些技术尚未达到预期的潜力，并且它们似乎不可能具有足够可扩展性的潜力而非常起效。

6、适用于srm的目的的基于平流层的方法还包括将气溶胶粒子注入地球的平流层中，以造成那些气溶胶粒子将太阳辐射反射回到太空中。这一努力已经由最近几个世纪中的极端火山喷发引起的自然和可测量的冷却效应所推动，所述极端火山喷发将硫、硫酸盐粒子和各种类型的碎屑喷射到平流层中。然而，为了可持续和有效用于冷却目的，此类方法需要以每秒数十千克材料的规模进行长期、不间断的连续喷射。已知由火山喷发引起的任何冷却通常在几年后消散。在这方面中的暂时或间歇性的努力显然对于长期气候冷却的目的而言是不够的，并且已知这样的喷射的材料的持续存在也造成许多有害的影响。

7、平流层反射体具有可扩展性，以及以合理的成本实现隔绝效应的显著减少的技术。然而，关于这种提出的技术存在若干问题，其在下文进行讨论。

8、例如，将硫或硫酸盐至少以持续的水平注入平流层中具有通过催化增强氮、氯和溴化合物的形成而破坏围绕地球的臭氧层的潜力，所述氮、氯和溴化合物与臭氧(其为地球的大气的非常有益和关键的特征)反应并降低其浓度。此类化学物质也可能在酸雨中沉淀。此外，已经有一些模型研究表明，基于硫酸盐的气溶胶可降低季风季节期间的亚洲和非洲中的降雨量，这进而将不利地影响农业和食品供应。

9、此外，基于硫酸盐的气溶胶粒子最终将落到地球的表面，并有可能对水和陆地二者都造成有害影响，包括增加呼吸健康危害。为了使气溶胶粒子保持无限期(或长时间)悬浮，粒度必须在低纳米范围中。然而，这样的纳米粒子可以不利地影响对光合作用重要的紫外辐射，因此潜在降低地球上的作物产量。

10、另一些研究已经建议将微粒橄榄石、云母或硅藻土注入平流层中以避免在平流层中注入基于硫酸盐的粒子的不良影响。然而根据美国专利8,033,879(如上所述)，对此类方法的可行性和安全性存在疑问。

11、随着在太阳地球工程学的领域中存在的不断增加的研究，还没有一种给予可以使用任何已知的方法和技术容易地缓解气候变化和随之而来的地球的表面的整体变暖的信心的方法已捕获足够的经济、政治、学术和工业关注。因此，存在用新的或改进的概念解决这些问题的持续且迫切的需要，所述新的或改进的概念可以容易地建模而无需广泛和昂贵的实际试验，可以容易地扩展为生产工业量的所需的缓解材料(mitigating materials)，并且可以表明有潜力具有减少到地球的表面上的太阳辐射的量的所需的效果。

技术实现思路

0、发明概述

1、本发明旨在提供在解决上述的气候变化问题中的太阳地球工程学的独特方法，同时使伴随已知技术的问题最小化。

2、因此，本发明提供促进减少影响地球的表面的太阳辐射的地球工程学的方法，所述方法包括：

3、将多个多孔聚合物粒子引入在海平面上方至少10千米的平均距离处的地球的平流层中，

4、其中所述多个多孔粒子各自包含连续聚合物相，和分散在所述连续聚合物相内的离散孔隙，所述连续聚合物相包含一种或多种有机聚合物，并且

5、所述多个多孔粒子各自具有以下性质：

6、至少2μm且最多并包括20μm的众数粒度；

7、与众数粒度相比不大于20％的粒度的变异系数；和

8、至少20％且最多并包括75％的孔隙率；并且

9、所述离散孔隙具有用以下方程限定的平均孔隙尺寸d(以纳米计)：0.3≤d/λ≤0.8，其中λ为至少400nm且最多并包括3,000nm；并且

10、其中所述离散孔隙各自用空气填充并任选含有设置在离散孔隙和连续聚合物相的界面处的孔隙稳定化水胶体。

11、此外，本发明提供用于促进减少影响地球的表面的太阳辐射的太阳地球工程学的系统，所述系统包括：

12、多个多孔聚合物粒子；和

13、用于将所述多个多孔粒子分散到在海平面上方至少10千米的平均距离处的地球的平流层中的装置，

14、其中所述多个多孔粒子各自包含连续聚合物相，和分散在所述连续聚合物相内的离散孔隙，所述连续聚合物相包含一种或多种有机聚合物，并且

15、所述多个多孔粒子各自具有以下性质：

16、至少2μm且最多并包括20μm的众数粒度；

17、与众数粒度相比不大于20％的粒度的变异系数；和

18、至少20％且最多并包括75％的孔隙率；并且

19、所述离散孔隙具有由以下方程限定的平均孔隙尺寸d(以纳米计)：0.3≤d/λ≤0.8，其中λ为至少400nm且最多并包括3,000nm；并且

20、其中所述离散孔隙各自用空气填充并任选含有设置在离散孔隙和连续聚合物相的界面处的孔隙稳定化水胶体。

21、本发明有潜力提供优于已知的太阳地球工程学技术的许多优点。这些优点通过将独特工程化的多孔粒子引入在海平面上方至少10千米的海拔处的地球的平流层中，以在允许紫外辐射传递到地球的表面的同时有潜力将可见光辐射和红外辐射反射回到太空中来实现。

22、一般而言，在光照射表面时，光中的一些可以被反射，一些被吸收，一些被散射，和其余的被透射。反射可以是漫反射，例如光被白墙反射，或是镜反射，就如光被镜子反射。典型的白色无机颜料如二氧化钛由于该无机颜料与周围环境之间的折射率差异而散射光，所述折射率差异受该颜料尺寸影响。在根据本发明使用的多孔聚合物粒子中，离散孔隙中的滞留的空气与多孔粒子的连续聚合物相之间的折射率的巨大差异导致照射各个多孔粒子的入射电磁辐射被多重的界面和离散孔隙所散射。反向散射的电磁辐射可以再次被散射并在入射电磁辐射的方向上返回，并且对通过多孔粒子的辐射的总“反射”作出贡献。根据本发明的独特工程化的多孔粒子具有许多设计的性质以使得它们能够有效用于散射和反射可见光和红外电磁辐射同时使紫外辐射的吸收或反射最小化的所述的目的。

23、首先，多孔粒子被设计为具有所需的孔隙率、窄粒度分布和受控尺寸的离散孔隙，以赋予所需的密度和空气动力学性质以使多孔粒子在它们被引入距地球所需的距离处的平流层之后尽可能长时间在该平流层中保持悬浮，和优化它们的选择性辐射反射性性质。此外，可以控制多孔粒子的形状(纵横比)和密度以促进所需的空气动力学性质。例如，通常多孔粒子由于设计的孔隙率而密度低，以使它们尽可能长时间在平流层内保持漂浮或悬浮。

24、制备和使用其实际直径比出于这一目的提出的已知粒子大若干倍的多孔粒子(二者具有相似的空气动力学直径)的能力解决了使用小直径的已知粒子的重大挑战，所述小直径的已知粒子由于表面相互作用而倾向于形成团块。也就是说，相对于在太阳地球工程学领域中通常考虑的更小得多的粒子，本发明中所使用的独特多孔粒子将更容易在平流层中处理、分散和定位。

25、本发明的实践中使用的多孔粒子中的离散孔隙通常是“封闭的”(囊泡状的，或不向多孔粒子表面开放)，并在多孔粒子体积内具有设计的平均尺寸和间距，以优化光的漫反射的光学有效性，且具体而言在所反射的辐射的量和类型方面。例如，多孔粒子可被设计为具有物理性质的组合，以合意地反射可见光和红外辐射，同时让关键的紫外辐射传递到地球的表面。

26、如果需要，则可以对多孔粒子进行表面处理以提供化学官能性，并由此在平流层中减少沉积之前的附聚，所述附聚将使它们更容易落到地球并丧失它们对太阳地球工程学的有效性。

27、在许多实施方案中，根据本发明使用的多孔粒子可由包含生物塑料的各种有机聚合物材料制备，所述生物塑料可以是环境友好的。