Aumentar el suministro de agua dulce para abordar de manera sostenible la seguridad mundial del agua a escala

Dec 07, 2023

Scientific Reports volumen 12, Número de artículo: 20262 (2022) Citar este artículo

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Si bien partes significativas del mundo ya se enfrentan a una importante escasez de agua dulce, se prevé que aumente la necesidad de más agua dulce para sostener el aumento de la población mundial y el crecimiento económico, y adaptarse al cambio climático. Los enfoques actuales para abordar este desafío, que tiene el potencial de generar resultados catastróficos para las necesidades de consumo y el crecimiento económico, se basan en aumentar el uso eficiente de los recursos existentes. Sin embargo, la disponibilidad de recursos de agua dulce está disminuyendo rápidamente debido a la sobreexplotación y el cambio climático y, por lo tanto, es poco probable que aborde de manera sostenible las necesidades futuras, lo que requiere un replanteamiento de nuestras soluciones e inversiones asociadas. Aquí presentamos una desviación audaz de los enfoques existentes al establecer la viabilidad de aumentar significativamente el agua dulce a través de la captura de aire húmedo sobre los océanos. Mostramos que la atmósfera sobre los océanos próximos a la tierra puede producir agua dulce sustancial, suficiente para sustentar grandes centros de población en todo el mundo, utilizando estructuras diseñadas adecuadamente. Debido al suministro prácticamente ilimitado de vapor de agua de los océanos, este enfoque es sostenible frente al cambio climático y puede transformar nuestra capacidad para abordar las preocupaciones presentes y futuras sobre la seguridad del agua. Se prevé que este enfoque sea transformador al establecer un mecanismo para brindar seguridad de agua dulce de manera sostenible a las generaciones presentes y futuras que sea económicamente viable.

La falta de acceso adecuado al agua dulce en vastas regiones del mundo1,2 plantea un gran desafío para nuestro tiempo que necesita una solución audaz e inmediata. Los enfoques actuales para abordar este desafío principalmente mediante la reducción y la gestión de la demanda están demostrando ser inadecuados3, ya que la población y el crecimiento económico absorben rápidamente cualquier capacidad creada a través de estas medidas4,5,6,7. El reciclaje y la reutilización del agua han tenido un éxito notable8 pero inherentemente tienen una escalabilidad limitada porque están fundamentalmente limitados por el suministro disponible9,10. Las soluciones efectivas para aumentar la oferta son actualmente limitadas o prácticamente inexistentes ya que todos los recursos se están explotando más allá de la capacidad sostenible o disminuyendo rápidamente debido al cambio climático. Por ejemplo, el agua subterránea se extrae mucho más allá de las tasas renovables, y el nivel freático está cayendo a un ritmo alarmante en las regiones donde más se necesita agua dulce11. La capa de nieve y los glaciares que sirven como depósitos de agua están disminuyendo o retrocediendo debido al cambio climático, y el deshielo se produce antes en la temporada de primavera que antes12. Las regiones que ya tienen limitaciones de agua se están volviendo más limitadas a medida que los cambios provocados por el clima crean una mayor escasez a través de la reducción de las precipitaciones, el aumento de la evaporación o ambos13. Las opciones para satisfacer esta mayor necesidad a través del transporte desde áreas distantes también se están volviendo cada vez menos viables debido a una disminución en la disponibilidad de agua en las regiones de origen. El suroeste de los Estados Unidos es un ejemplo convincente de estos desafíos donde el nivel del agua en los embalses del río Colorado se ha reducido durante la última década, alcanzando niveles críticamente bajos durante el verano de 2021, amenazando tanto los recursos hídricos como los sistemas de energía14,15. Existen muchos ejemplos de tales influencias en cascada en todo el mundo16,17,18,19.

Una posible solución para aumentar radicalmente el suministro de agua dulce es aprovechar las fuentes oceánicas prácticamente ilimitadas. Si bien la desalinización ofrece una tecnología de este tipo, se ha enfrentado a importantes preocupaciones ambientales y, como resultado, no se ha adoptado como una solución escalable para abordar las preocupaciones mundiales sobre la seguridad del agua, aunque su papel en la satisfacción de las necesidades de una gran población en varios puntos críticos regiones del mundo no pueden subestimarse20,21. La desalinización no solo consume mucha energía; también crea salmuera concentrada y otros subproductos que crean desafíos ambientales significativos con el costo de eliminación22,23. Aquí establecemos la viabilidad de un enfoque alternativo para aprovechar las fuentes oceánicas de agua de una manera económicamente viable y respetuosa con el medio ambiente. Mostramos que el método propuesto es escalable en el sentido de que puede implementarse para satisfacer las necesidades de una población arbitrariamente grande, y es práctico en escenarios climáticos futuros en el sentido de que hace que haya más agua disponible en un clima más cálido, proporcionando así una herramienta importante para desarrollo de la resiliencia al cambio climático.

Nuestro enfoque propuesto consiste en capturar el vapor de agua de la atmósfera justo por encima de la superficie del océano y transportar el aire cargado de humedad a la tierra próxima donde su condensación puede proporcionar agua dulce (Fig. 1). Los ambientes cercanos a la superficie sobre el océano tienen una alta humedad, cuyas variaciones diarias y estacionales son impulsadas principalmente por la temperatura de la superficie oceánica y la del aire de arriba. El primero determina la capacidad de evaporación del océano, mientras que el segundo determina la capacidad de retención de humedad saturada de la atmósfera. Las variaciones de estas temperaturas y, por tanto, de la humedad de la atmósfera, están determinadas en gran medida por la variación de la radiación solar y las velocidades del viento. El objetivo de este documento es mostrar que para las áreas del mundo con estrés hídrico que están próximas a los océanos, la disponibilidad de humedad en la columna atmosférica cercana a la superficie no solo hace viable la generación significativa de suministro de agua dulce, sino que ofrece un enfoque escalable para abordar Desafíos de la seguridad del agua. Dado que esta humedad en la atmósfera resulta de la evaporación natural del agua oceánica, no se esperan subproductos dañinos para el medio ambiente. En esencia, nuestro enfoque imita el proceso físico natural del ciclo hidrológico mediante el cual la humedad evaporada del océano se transporta tierra adentro, se enfría y se condensa para luego caer sobre la superficie terrestre en forma de precipitación, excepto que proponemos diseñar el camino a través del cual la la humedad evaporada se mueve controlando así la ubicación de donde el agua está disponible a través de la condensación controlada.

Ilustración esquemática de nuestro enfoque propuesto para capturar la humedad sobre la superficie del océano y transportarla a la tierra próxima para mejorar la seguridad del agua. El flujo de humedad evaporado en forma de vapor de agua en la atmósfera sobre el océano se puede capturar a través de una entrada diseñada apropiadamente como se conceptualiza a la derecha, se transporta en la fase de vapor a través de un conducto y se condensa sobre la tierra como se ilustra a la izquierda para obtener agua fresca. agua. El flujo de humedad aumenta suavemente con la altitud debido al mayor viento horizontal, lo que ofrece la oportunidad de diseñar superficies de captura verticales. La entrada puede diseñarse para optimizar la entrada de humedad teniendo en cuenta la dirección predominante del viento y su variación con la altitud y el tiempo. Un compresor puede aumentar la eficiencia de recolección de la masa de aire húmedo en la entrada. Como se ilustra en la figura, la energía renovable (eólica o solar) puede alimentar la entrada, el transporte y la condensación de aire húmedo. Esperamos que la bocatoma se ubique a varios kilómetros de la costa para garantizar una extracción isotrópica suficiente en aguas abiertas alrededor de la bocatoma. [Figura creada con Adobe Photoshop, no a escala].

Demostramos la viabilidad de este enfoque propuesto al calcular la cantidad de humedad extraíble que está disponible en la columna atmosférica cercana a la superficie sobre el océano. Luego mostramos que una "superficie de captura" vertical de 210 m de ancho y 100 m de alto, que corresponde aproximadamente al área proyectada verticalmente de un gran crucero, puede proporcionar un volumen suficiente de humedad extraíble para satisfacer las necesidades diarias de agua potable de aproximadamente 500 000 personas, en promedio. Estas dimensiones se eligen arbitrariamente y se implementan aquí solo como una forma de ilustrar que el volumen potencial de agua extraída puede ser significativo. Esperamos que la implementación real abarque una variación significativa de estas dimensiones en función de las condiciones locales prevalecientes e impulsada por las necesidades y los análisis de costo-beneficio asociados. Nuestro objetivo aquí es solo establecer que se puede obtener un volumen suficientemente grande de humedad a través del enfoque propuesto en las condiciones predominantes, que es suficiente para satisfacer la demanda de agua de una gran población. Luego examinamos cómo esta capacidad puede verse afectada por el cambio climático. Esto es importante porque una inversión en dicha infraestructura servirá a la población durante décadas, y nuestro objetivo es garantizar que su capacidad no se degrade con el tiempo. Dado que dicha infraestructura aún no se ha construido, también brindamos algunas ideas sobre la estructura de costos para construir y operar dichas instalaciones para que sean competitivas con las plantas de desalinización operativas existentes. Dado que enfrentamos una grave escasez de agua dulce en partes significativas del mundo, nuestro objetivo es que la opción propuesta aquí sirva principalmente para aumentar las capacidades existentes de manera sostenible, pero en algunos casos, pueden servir para eliminar prácticas no sostenibles.

Primero calculamos la cantidad de agua disponible en una columna atmosférica como el vapor de agua integrado que fluye a través de una columna vertical en la subcapa superficial de la atmósfera de altura h que tiene 1 m de ancho en un lugar dado. Debido a la no linealidad de su variación a través de la columna vertical, esto se calcula como la suma de los flujos de humedad a través de capas horizontales discretas, como se ilustra en la Figura S1. El flujo medio de humedad (MF, kg/m2s o litros/m2s equivalentes), que es la velocidad a la que la masa de agua en la fase de vapor se mueve horizontalmente por unidad de área vertical por unidad de tiempo, se calcula como el producto de la media horizontal viento (U), la humedad específica (q) y la densidad del aire (\(\rho _a\), asumida como 1,12 kg/m324). Debido a la influencia de la rugosidad de la superficie, la velocidad del viento es menor cerca de la superficie y aumenta con la altitud. La humedad específica es más alta cerca de la superficie, que sirve como fuente de humedad, y disminuye con la altitud. El efecto neto es que el flujo de humedad en la atmósfera generalmente aumenta con la altitud a medida que la mayor velocidad del viento supera la reducción de la humedad con la altitud (Figura S1). Esto se puede escalar linealmente en la horizontal para cualquier ancho, w (210 m en nuestra ilustración), para proporcionar una estimación razonable del flujo de humedad para la altura considerada h.

La ubicación de los 14 sitios de estudio sobre el océano más cercanos a un centro de población dominante se representa en un mapa de estrés hídrico (centro). También se muestra la variación del flujo de humedad a través de una columna atmosférica de 10 a 110 m sobre el nivel medio del mar para cada una de las ubicaciones. Los diagramas de contorno y el gráfico de líneas ilustran el cambio en el flujo de humedad diario en función de la altura y la distribución mensual del vapor de agua disponible, respectivamente. Para cada ubicación, los promedios mensuales (en rojo) del flujo de humedad (millones de kg/m2/día) se superponen al flujo de humedad diario (miles de kg/m2día) a través de la columna vertical (en azul). Variabilidad espaciotemporal del flujo de humedad (miles de kg/m2día) y flujo de humedad integrado (millones de kg/m2/día). Las gráficas representan el promedio de 30 años (1990 a 2019) obtenido de los datos de ERA5. [Figuras creadas con script de Python y compuestas con Microsoft Publisher 365 V2207].

Para examinar si la cantidad de humedad atmosférica que se puede capturar es suficiente para una solución adecuada basada en infraestructura, examinamos la cantidad de flujo de humedad que históricamente ha estado disponible en varios lugares del mundo. Usamos datos de ERA5 durante un período de 30 años desde el año 1990 hasta 2019, que está disponible para cuadrículas modelo de tamaño 0,25° × 0,25°. Usamos los puntos de la cuadrícula que están completamente sobre los ambientes costeros pero más cercanos a las masas terrestres para calcular el volumen del flujo de humedad en función de la altitud, como vemos en la Figura S1 (consulte la sección Métodos para obtener detalles sobre el cálculo del flujo de humedad). Suponemos que cualquier infraestructura que se diseñe para captar el aire húmedo se colocará necesariamente a cierta altura sobre la superficie del océano para protegerlo de las variaciones del nivel del mar y del oleaje. Por lo tanto, ignoramos los primeros 10 metros sobre la superficie y calculamos el flujo de humedad diario en función de la altitud. Ilustramos la variación diaria y mensual a través de una subcapa atmosférica de 100 m de altura (10 m a 110 m sobre el nivel del mar) para 14 ubicaciones seleccionadas como se muestra en la Fig. 2. Estas ubicaciones, seleccionadas para representar las variaciones climáticas, están cerca de centros de alta población que están cerca de los océanos en regiones con escasez de agua en todo el mundo. Como era de esperar, se encuentran en las regiones subtropicales de los hemisferios norte y sur, donde existen las áreas áridas y semiáridas más grandes. La ubicación de los sitios está disponible en la Tabla S1. La humedad específica promedio cerca de las ciudades seleccionadas oscila entre 9 y 20 g/m\(^3\), mientras que la temperatura media anual oscila entre 14 °C y 30 °C. Muchos de los sitios seleccionados tienen una temperatura del aire de moderada a alta y niveles de humedad de medianos a altos.

La Figura 2 muestra el flujo de humedad a lo largo de la vertical y el flujo de humedad integrado mensual promedio para la subcapa superficial de la atmósfera de 100 m de altura utilizando los datos de 30 años de ERA-5. En general, en la escala de tiempo diaria, el flujo de humedad aumenta ligeramente con la altitud en todos los lugares, de acuerdo con la explicación proporcionada anteriormente. El promedio mensual es más alto durante los meses de verano, como es de esperar, y brinda la mejor oportunidad para capturar la humedad, con un promedio de 30 años en el hemisferio norte que oscila entre 0,60 y 1,45 millones de litros/m3/día. En general, los cuatro meses de verano (junio-septiembre) pueden proporcionar entre el 40 % y el 55 % del flujo de humedad integrado total anual en el hemisferio norte. Entre estos lugares, el pico más grande se observó cerca de Chennai en India, en la Bahía de Bengala, debido al efecto del monzón. Además, el flujo de humedad mínimo integrado se observó tan bajo como 0,3 millones de litros/m3/día en los meses de invierno en el mar Tirreno cerca de Roma en Italia. La conclusión crítica es que la cantidad de agua potencial disponible para la captura tiene una variabilidad estacional debido a las variaciones en la radiación solar, la temperatura y otras condiciones meteorológicas. La disponibilidad de agua se maximiza durante los períodos más cálidos del año, cuando la demanda humana de agua también es más alta.

Observamos que el rendimiento potencial anual de agua en todas las ubicaciones es del mismo orden de magnitud, aunque existe un rango de variabilidad espacial y temporal en el flujo de humedad en estas ubicaciones. La variación estacional en el rendimiento de agua no es motivo de preocupación. Si bien la variabilidad estacional del flujo de humedad es evidente en la Fig. 2, incluso el suministro más bajo del flujo de humedad a lo largo de las estaciones tiene el potencial de producir suficiente agua para sostener una población considerable. La capacidad de almacenamiento creada a través de los embalses puede ser una forma efectiva de silenciar la estacionalidad y proporcionar un rendimiento constante para el uso. El hallazgo ilustra que las regiones costeras con mayor estrés hídrico se alinean con un mayor potencial para abordar el problema al capturar la humedad de los entornos de la atmósfera oceánica proximal. Para una tasa de consumo promedio de 300 litros/persona/día25, vemos que la cantidad de agua producida por una sola instalación de 210 m de ancho y 100 m de alto puede satisfacer las necesidades de 0,34 a 0,69 millones de personas en los sitios seleccionados con un promedio de aproximadamente 0,5 millones de personas. También vemos que todas las necesidades de agua potable de la población existente en estas comunidades costeras pueden satisfacerse con un puñado de estructuras diseñadas adecuadamente (Tabla 1). La producción anual de agua, que oscila entre un mínimo de unos 37 000 millones de litros y un máximo de más de 78 000 millones de litros, es suficiente para satisfacer las necesidades de los centros de población cercanos a la costa con menos de diez instalaciones, siendo Karachi en Pakistán una excepción debido a su enorme población. Hacemos notar que el agua producida también se puede utilizar para usos no potables, como para satisfacer necesidades agrícolas o industriales. Usamos agua potable solo para ofrecer una interpretación significativa del volumen potencial de agua disponible. También suponemos que si esta agua se usa junto con fuentes ya existentes, puede aumentar el suministro de agua dulce para una población significativamente mayor.

Para ir más allá de las 14 ubicaciones seleccionadas utilizadas para ilustrar la viabilidad del enfoque propuesto, delineamos una franja de 200 km sobre los océanos adyacentes a la tierra a lo largo de las costas del mundo. Comparamos el rendimiento potencial anual de agua de una subcapa superficial de la atmósfera de 210 m de ancho y 100 m de altura de manera similar. Las zonas de mayor rendimiento de agua de un promedio de treinta años a lo largo de los continentes se muestran en la Fig. 3. Para la mayor parte de Asia, Europa y América del Norte, podemos obtener un rendimiento de agua anual de alrededor de 10 mil millones de litros. La parte norte de América del Sur, el este de Sudáfrica y el noreste de Australia pueden proporcionar un rendimiento anual de agua superior a los 60 mil millones de litros. Estos resultados son importantes porque demuestran que existe un potencial significativo para obtener agua dulce a través de los océanos próximos a las costas de las regiones con estrés hídrico. El agua también se puede transportar a distancias significativas tierra adentro para satisfacer o aumentar las necesidades críticas. Como resultado, dicha infraestructura no necesita estar ubicada cerca de los centros de población, y su ubicación puede determinarse a través de otros objetivos sociales significativos.

Variabilidad espacial de la producción de agua a lo largo de la región cercana a la costa delineada de 200 km en todo el mundo. Los colores representan el rendimiento potencial anual de agua en miles de millones de kg. El resultado representa una toma hipotética de 100 m de altura y 210 m de ancho. [Figuras creadas con script de Python y compuestas con Microsoft Publisher 365 V2207].

Para asegurar que la factibilidad establecida aquí, basada en los datos históricos, siga siendo válida para un clima cambiante futuro, examinamos la tendencia del flujo de humedad bajo dos escenarios de cambio climático como se muestra en la Fig. 4. Consideramos el escenario SSP126, que es el más escenario optimista, y escenario SSP585, que representa el límite superior para el rango de escenarios de calentamiento en la literatura. Vemos que en los escenarios SSP126 y SSP585, el flujo de humedad integrado medio anual hasta el año 2100 en todas las ubicaciones no disminuye. Para el escenario SSP585, aumenta en todas partes, mientras que, para el escenario SSP126, permanece plano para el golfo Pérsico cerca de Doha y Abu Dhabi y el Mar Rojo cerca de La Meca. Con base en este análisis, concluimos que no es probable que disminuya el rendimiento de agua de la atmósfera y que la trayectoria futura del flujo de humedad posiblemente se encuentre entre la trayectoria obtenida para los escenarios SSP126 y SSP585, según el cambio climático realizado.

Proyección del flujo de humedad integrado en 14 sitios seleccionados obtenidos de la salida del modelo CESM2 WACCM. El valor del flujo de humedad integrado está en un millón de kg por día por m de ancho de una columna atmosférica de 10 ma 110 m sobre el nivel del mar. La línea rosa indica la estimación histórica del flujo de humedad integrado medio anual de 1990 a 2019 utilizando los datos de ERA5; la línea azul es el flujo de humedad integrado para el escenario SSP585 de 2020 a 2100, y las líneas verdes son la proyección del flujo de humedad integrado para el escenario SSP126 de 2020 a 2100. Las dos últimas se obtienen utilizando el modelo de circulación global CESM2-WACCM ( GCM) datos. Debido a la discrepancia entre la resolución espacial de los dos conjuntos de datos, algunas ubicaciones presentan transiciones rápidas. [Figuras creadas con script de Python y compuestas con Microsoft Publisher 365 V2207].

Determinamos el cambio porcentual en el flujo de humedad integrado medio para dos períodos correspondientes a 2020 a 2059 y 2060 a 2099 para compararlo con el promedio de 1990 a 2019 para los escenarios SSP126 y SSP585 para los 14 sitios seleccionados (como vemos en Figura S2 en el material complementario). En promedio, en el escenario SSP585, el flujo de humedad integrado aumenta alrededor de un 4 % y un 16 % durante 2020 a 2059 y 2060 a 2099, respectivamente. El aumento porcentual máximo se produce en el Océano Índico occidental, cerca de Durban, en Sudáfrica, y el aumento porcentual mínimo se produce en el Mar Rojo, cerca de La Meca. Analizamos el aumento porcentual correspondiente en la humedad específica cerca de la superficie y la velocidad del viento para investigar más a fondo cómo el flujo de humedad integrado podría responder al cambio climático. El aumento promedio de la humedad específica cerca de la superficie de los sitios seleccionados es del 9 % y del 25 % durante 2020 a 2059 y 2060 a 2099 en el escenario SSP585. Observamos un patrón de aumento constante en la humedad específica en todas las ubicaciones. El aumento de la superficie del mar y de la temperatura atmosférica debido al calentamiento global da como resultado un aumento del vapor de agua en la atmósfera, lo que resulta en un aumento de la humedad. De hecho, cuando la atmósfera se calienta, la presión de vapor de saturación aumenta siguiendo la ecuación de Clausius-Clapeyron. Sobre el océano, esto da como resultado más humedad en la atmósfera. Por otro lado, los cambios porcentuales de la velocidad media del viento en superficie muestran una tendencia opuesta. En promedio, la velocidad del viento disminuye alrededor de un 5 % entre 2020 y 2059 y entre 2060 y 2099 en los escenarios SSP126, y entre un 5 % y un 7 % entre 2020 y 2059 y entre 2060 y 2099 en los escenarios SSP585, respectivamente. El aumento proyectado en el nivel de humedad cerca de la superficie y la disminución en el campo de viento pronosticado sugiere que el cambio proyectado en el flujo de humedad integrado está dominado por la termodinámica y no es impulsado por el viento. Los hallazgos contribuyen a nuestra evaluación de que el rendimiento de agua de la evaporación oceánica sería un enfoque sostenible incluso bajo el clima futuro.

Para evaluar la región de origen de la evaporación oceánica, calculamos el alcance del viento y la huella 2-D que contribuye al suministro de flujo de humedad en cada una de las ubicaciones seleccionadas. El alcance y el área de la huella varían debido a la velocidad del viento, la dirección y la estabilidad atmosférica26. La extensión espacial de la zona de barlovento correspondiente a la contribución del 90 % del flujo de humedad osciló principalmente entre 20 y 40 km a lo largo de los sitios, representando el mismo orden de magnitud que se muestra en las Figuras S3 y S4. La búsqueda contra el viento aumenta de forma no lineal en función del flujo de humedad. Para una contribución de flujo del 50 % al 70 %, las estadísticas de alcance contra el viento están por debajo de los 20 km en todos los sitios seleccionados (Figura S4). El área de la huella está muy por debajo de los 500 km2 (Figura S5). El golfo Pérsico cerca de Doha, Qatar, y Abu Dhabi, Emiratos Árabes Unidos, experimentan un área de huella de flujo y alcance de barlovento mayor. Estos hallazgos muestran que la escala espacial de la captura de vapor de agua es pequeña en comparación con la escala del balance hídrico regional. Este análisis indica que la extensión del área del océano que contribuye al rendimiento del agua es relativamente pequeña y no afectará la disponibilidad de humedad en la atmósfera en el contexto de la circulación regional y global.

Aproximadamente \(5,21\times 10^{17}\) litros de agua se evaporan de la superficie terrestre (incluida la superficie del océano, las masas de agua continentales, el suelo y las plantas) anualmente27. En las 14 ubicaciones, la cantidad total de vapor de agua extraído anualmente por el sistema diseñado propuesto será de alrededor de \(7,8\times 10^{11}\) litros, que es aproximadamente el 0,0015 % del total de agua evaporada a nivel mundial. Además, notamos que la mayoría de los eventos de precipitación son el resultado de la humedad extraída de vastas áreas que están sustancialmente distantes de la ubicación de la precipitación. Por ejemplo, los ríos atmosféricos, los sistemas monzónicos y los sistemas convectivos de mesoescala tienen regiones de origen que son órdenes de magnitud más grandes que las asociadas con el alcance del sistema de captura de humedad propuesto aquí y dependen de la humedad en toda la columna de la capa límite que es verticalmente más grande por un orden de magnitud en comparación con la altura de la estructura prevista aquí. Este argumento respalda aún más la conclusión de que el enfoque propuesto para la captura de humedad no tendrá un impacto en la circulación atmosférica y los patrones de precipitación a favor del viento.

Habiendo establecido que hay y habrá suficiente humedad en la columna de la atmósfera sobre los océanos cerca de las regiones costeras, particularmente alrededor de las regiones del mundo con escasez de agua, ahora abordamos la cuestión de la viabilidad financiera de la construcción de dicha infraestructura. Dado que tales estructuras no existen, no preguntamos cuánto costará construir tal infraestructura, sino qué modelo de costos hará factible construirla y operarla. En otras palabras, ¿podemos caracterizar el límite superior de la estructura de costos para que sea competitivo con las tecnologías actuales suponiendo que el costo marginal del agua no aumente? Suponemos que el costo de construir una instalación para la recolección y condensación de vapor atmosférico es de US $ 600 millones, aproximadamente el costo de construir un gran crucero o una plataforma petrolera. Suponemos además que la línea de crédito se amortiza en un período de 30 años con una tasa de interés actual de 3.75%. También asumimos un costo operativo actual de $175,000 por día con una tasa de inflación de 2.06%, el promedio en los EE. UU. durante los últimos 20 años. Suponiendo que 500 000 personas se beneficien de una instalación de este tipo, el costo anual de construcción es de 67 dólares por beneficiario y el costo anual de construcción y operación de la instalación es de $241 por beneficiario (consulte la Tabla S2 en el material complementario y el archivo de Excel asociado en el material complementario en línea para los detalles del cálculo). En términos de volumen de agua, esto resulta en un costo anual de $2.20 por cada 1000 litros de agua que es competitivo con el costo de producción de las plantas desalinizadoras. Sin embargo, incluso después de varias décadas de mejora tecnológica, las plantas de desalinización tienen efectos ambientales asociados con la eliminación de desechos. El proceso de desalinización produce un residuo significativamente más cálido y salado que el de entrada. Este residual es liberado al mar, donde aumenta el nivel de salinidad y se vuelve perjudicial para la ecología marina28,29. Por el contrario, creemos que el proceso descrito aquí para capturar el vapor de agua que se evapora naturalmente sobre el océano, transportarlo y condensarlo para producir agua líquida no tendrá impactos ambientales significativos en términos de generación de subproductos.

A través de esta investigación, hemos establecido que la captura de humedad sobre la superficie del océano es una solución factible para muchas regiones del mundo con estrés hídrico. El rendimiento de agua estimado de las estructuras propuestas podría aliviar las necesidades de agua dulce de los grandes centros de población en los subtrópicos. El promedio y el rango del rendimiento del agua establecen la viabilidad del enfoque propuesto para abordar la seguridad del agua, tanto en el clima actual como en el futuro. Este concepto propuesto podría usarse como un sustituto o para complementar la producción de agua dulce durante todo el año en áreas con acceso a cuerpos de agua costeros o transportarse a lugares distantes del interior, ayudando así a aliviar la escasez de agua y al mismo tiempo manteniendo los ecosistemas y el medio ambiente. Notamos que el concepto propuesto de utilizar la humedad atmosférica para la producción de agua potable es notablemente diferente de las articulaciones anteriores que incluyen la producción de agua sobre la tierra por enfriamiento radiativo30,31,32,33,34,35,36,37,38, enfriamiento activo por vapor ciclo de refrigeración por compresión39,40,41,42,43,44,45,46,47,48 o refrigeración termoeléctrica49,50,51,52,53 y método desecante40,54,55,56,57,58,59,60, 61,62,63,64,65. Estas soluciones alternativas no son escalables para abordar la escasez de agua de manera significativa porque la cantidad de flujo de humedad disponible en la atmósfera sobre la tierra es sustancialmente menor que sobre las grandes fuentes oceánicas. Cuando sea factible, las pequeñas islas en los océanos también podrían servir como sitios para nuestras instalaciones propuestas, lo que podría resultar en un costo reducido, siempre que la humedad y los campos de viento estén determinados principalmente por el cuerpo de agua circundante y no por la masa de tierra. La solución propuesta es escalable, tiene costos ambientales insignificantes y aumenta la capacidad en condiciones climáticas más cálidas. Nuestras estimaciones de rendimiento de agua se basan en el supuesto de que se puede extraer toda la humedad transportada por el viento ambiental. Creemos que si se usa succión/compresor, se puede superar la pérdida de eficiencia durante el proceso de admisión y transporte. También creemos que el costo de la energía de este esfuerzo no será oneroso, ya que la energía solar ya evapora la humedad que se captura, y se pueden implementar enfoques eficientes para lograr procesos de condensación eficientes.

Usamos datos diarios de ERA-5 con una resolución de \(0.25^{\circ } \times 0.25^{\circ } \) sobre los océanos debido a su concordancia con un rango de mediciones observadas66,67. Usamos datos de superficie de 1990 a 2019 a una altura de 10 m para la velocidad del viento y a una altura de 2 m para la temperatura del aire, la temperatura del punto de rocío, el flujo de vapor instantáneo, el flujo de calor sensible en la superficie, la velocidad de fricción y la presión del aire en la superficie. Según la convención de signos de ERA-5, los flujos verticales descendentes son positivos. Los datos sobre la humedad específica no están fácilmente disponibles a partir de los datos de ERA-5 en niveles únicos y, por lo tanto, estimamos la humedad específica diaria de 2 m a partir de la temperatura del punto de rocío y la presión del aire en la superficie utilizando la formulación de termodinámica húmeda68. La presión de vapor de saturación calculada a partir de la temperatura del punto de rocío en la ecuación de Clausius-Clapeyron representa la presión de vapor real como se muestra en la ecuación. (1)69. Obtenemos la humedad específica de 2 m de la dependencia entre la presión de vapor real y la humedad específica, como se muestra en la ecuación. (2)69.

Aquí, e es la presión de vapor real a la temperatura T; \(L_v\) es el calor latente de vaporización; \(T_d\) es la temperatura del punto de rocío; \(R_v\) es la constante de gas específica para el vapor de agua (461,5 J/kg/K); q es la humedad específica a 2 m; y \(P_a\) es la presión del aire en la superficie a 2 m. Para la estimación del flujo de humedad bajo escenarios de cambio climático, usamos datos del modelo CESM2-WACCM GCM con el miembro de conjunto r1i1p1 con una resolución horizontal de 1\(^{\circ } \times \)1\(^{\circ } \) de la CMIP6. Se elige CESM2 porque contiene una representación mejorada de las teleconexiones con ENSO y Madden-Julian Oscillation, sesgos reducidos de forzamiento de nubes de onda corta y mayor sensibilidad climática. Además, CESM2 posee un mejor acuerdo con la tendencia observada de acumulación global de carbono terrestre70. Se seleccionó WACCM porque este conjunto de datos contiene las variables requeridas para calcular el flujo de humedad. SSP126 (que combina SSP1 y RCP2.6) y SSP585 (que combina SSP5 y RCP8.5) se eligen como escenarios de cambio climático para calcular el flujo de humedad y el rendimiento potencial de agua dulce para el futuro. SSP126 representa tanto un calentamiento global optimista como desafíos mínimos de mitigación, mientras que SSP585 representa lo mismo para el escenario pesimista71.

El flujo de humedad se define como el vapor de agua que pasa a través de una unidad de área vertical por unidad de tiempo. El flujo transportado por el viento medio contribuye al flujo medio de humedad, y el flujo transportado por los remolinos contribuye al componente turbulento del flujo de humedad. El viento horizontal medio domina principalmente el transporte advectivo de humedad y, por lo tanto, hemos considerado el flujo de humedad advectivo medio e ignorado el componente turbulento. El flujo de humedad se obtiene como la media del producto de la densidad del aire (\(\rho \)), la humedad específica (q) y la velocidad del viento (u), como se muestra en la ecuación. (3). Dividimos la columna vertical de 100 m en tiras de 10 m de altura y sumamos el flujo de humedad (\(m_i\)) para cada tira (i) para obtener el flujo de humedad integrado medio (IMF) para la altura de la capa como se muestra en la ecuación. (4). Suponemos que el flujo de humedad calculado para una unidad de ancho se puede escalar simplemente para anchos más pequeños ya que no hay datos para capturar la variación horizontal dentro de las resoluciones del modelo climático:

Aquí, \( \overline{ q_iU_i} = \overline{ q_i}\overline{U_i} + \overline{q_i^{'} U_i^{'}}\). Aquí \(\overline{ q_i}\overline{U_i}\) y \(\overline{q_i^{'}U_i^{'}}\) son el componente medio y turbulento del flujo de humedad cinemática. \(m_i\) es el flujo de humedad en kg de agua/m2s para la capa \(i^{th}\) en la subcapa superficial de la atmósfera, \(\rho _a\) es la densidad del aire especificada como 1,12 kg /m3, \(q_i\) es la humedad específica y \(U_i\) es el viento horizontal que se obtiene de las componentes zonal (u) y meridional (v) como \(U_i=\sqrt{u^2_i+ v^2_i}\); w es el ancho de la entrada del sistema hipotético de recolección de vapor de agua. El rendimiento potencial anual de agua (APWY) es simplemente el producto del flujo de humedad integrado (IMF) por unidad de ancho, el ancho del sistema de recolección de vapor de agua (w) y la cantidad de segundos en un año completo, como vemos en Eq. (5).

Para el cálculo del flujo de humedad para cada franja entre las alturas \(z_{j+1}\) y \(z_j\), los perfiles de velocidad del viento y humedad específica se obtienen a partir de la relación del perfil de flujo invocada en la teoría de similitud de Monin-Obukhov24,72 como se muestra en las Ecs. (6) y (7), que asume homogeneidad horizontal y hundimiento cero:

Dado que los supuestos de homogeneidad horizontal y hundimiento cero son válidos para la atmósfera por encima de grandes masas de agua, el flujo de humedad en la atmósfera por encima de las masas de agua marina seguiría las relaciones de similitud. Aquí, \(u_*\) es la velocidad de fricción, \(d_o\) es la altura de desplazamiento (0,001 m), \(\Psi _h\), \(\Psi _v\) y \(\Psi _m\) son la función de perfil de flujo para el calor, el vapor de agua y el momento que varía según la estabilidad de la capa atmosférica, \(a_v\) o \(a_h\) es la relación entre la difusividad de los remolinos y la viscosidad de los remolinos en condiciones neutras, para el vapor de agua y calor respectivamente y k es la constante de von Kármán. La estabilidad de la capa atmosférica se obtiene a partir de la longitud de estabilidad de Obukhov, L24, como se muestra en la ecuación. (8). La longitud de Obukhov es positiva para la estratificación atmosférica estable y negativa para la inestable y se vuelve casi infinita en el límite de la estratificación neutral:

Aquí, L es la longitud de estabilidad en metros, E es el flujo evaporativo instantáneo (kg/m2s), H es el flujo de calor sensible (J/m2s) y \(T_a\) es la temperatura atmosférica a 2 m de altura. Calculamos el flujo de humedad medio diario de 1990 a 2019 para cada una de las cuadrículas seleccionadas. Las regiones se extrajeron utilizando el archivo de forma de polígonos de los cuerpos de agua marinos del mundo para el período climático histórico y futuro. Para el análisis histórico del flujo de humedad, generamos una serie temporal media anual representativa del flujo de humedad de 30 años consecutivos de resultados de 1990 a 2019. Promediar espacialmente las cuadrículas proporciona una serie temporal representativa del flujo de humedad diario para las zonas seleccionadas. Además, calculamos el flujo de humedad integrado promediado espacialmente para períodos climáticos históricos y futuros para cada una de las regiones seleccionadas para comparar el flujo de humedad de las áreas seleccionadas en todo el mundo. Los campos diarios se promediaron luego a valores medios mensuales y anuales. La humedad específica y la velocidad del viento se recuperaron con una resolución diaria del modelo CMIP6 seleccionado para analizar el cambio porcentual en las próximas décadas.

El área de la superficie oceánica que contribuye al flujo capturado por la entrada se denomina huella de flujo, y su extensión máxima en la dirección contra el viento es el alcance del flujo sobre los océanos. Tanto el alcance como la huella cambian dinámicamente y aumentan con la altura de la estructura de entrada, la estabilidad atmosférica y la dirección del viento. Estimamos el alcance y la huella de flujo asociados con la parte superior de la estructura de toma (elevación de 110 m), que corresponde a la extensión máxima. Esta información nos ayuda a estimar qué tan lejos de la costa más cercana debemos ir para ubicar la estructura de entrada para asegurarnos de que el área de tierra dentro de la huella no reduzca el flujo de evaporación.

Aquí, calculamos las climatologías de la huella utilizando la parametrización del modelo de predicción de la huella bidimensional desarrollado por Kljun et al.26, que considera el impacto de los componentes zonales y meridionales del viento, la rugosidad de la superficie y la estabilidad atmosférica. Kljun et al. establecieron la parametrización basada en el modelo de dispersión de partículas estocástica de Lagrangian hacia atrás26. Esta parametrización es válida para una amplia gama de condiciones de estabilidad y alturas de medición en toda la capa límite planetaria. Para una atmósfera sobre la superficie del océano, la longitud de la rugosidad de la superficie es muy pequeña. La estabilidad térmica atmosférica para dicho entorno se ve muy afectada debido a las variaciones en la temperatura del aire. El modelo de huella de flujo, que asume la estacionariedad a lo largo del período de integración (resolución diaria) y la homogeneidad horizontal del flujo, proporciona la extensión de la huella de flujo bidimensional en las direcciones contra el viento y contra el viento en un momento dado.

Usamos este modelo FFP como una función en un bucle en nuestro código Python para estimar las climatologías de la huella de flujo usando el conjunto de datos ERA-5 para cada día durante 30 años (1990-2019) para cada uno de los 14 sitios seleccionados. Luego se calcularon las estadísticas mensuales medias de barlovento y el área de la huella utilizando el resultado de las climatologías diarias de la huella. Al estimar el alcance de la huella de flujo bidimensional, definimos un conjunto de contornos (r) para delinear las áreas de origen hasta un cierto porcentaje de contribución de flujo. Estimamos el alcance contra el viento correspondiente al 50%, 70% y 90% de la contribución del flujo de humedad observado por la superficie de captura de la toma. Usamos el límite superior para nuestro estudio como una contribución del 90% del flujo de humedad porque la contribución cae lentamente más allá de ese punto. Dado que fetch es la distancia desde la superficie de captura de la entrada, aumenta a medida que aumenta el porcentaje de contribución. Usamos el diagrama 'Fetch rose'73 siguiendo las funciones de densidad de probabilidad de Weibull como una herramienta gráfica para brindar una visión sucinta de cómo se distribuye y orienta típicamente el alcance para la contribución de flujo del 90% en los sitios seleccionados. Describe la distancia y la dirección que contribuye al flujo de humedad observado en la entrada. También obtenemos la variación estacional del área de huella de flujo, mostrando las estadísticas de las áreas de fuentes dinámicas que contribuyen al 90% del flujo predominante.

Para investigar el fetch upwind y la huella de flujo, este estudio requirió datos meteorológicos como la velocidad media del viento en la parte superior de la estructura de entrada, la altura de la capa límite, la longitud de Monin-Obukhov, la desviación estándar de las fluctuaciones de velocidad lateral, la velocidad de fricción, la dirección del viento y la altura de medida, que es la cota máxima de la superficie de captación en este caso. La dirección del viento se ha calculado utilizando los componentes zonal y meridional de los datos del viento, como se menciona en74. Adoptamos la convención de que un viento del norte es 0\(^{\circ }\). El valor diario de la desviación estándar de las fluctuaciones de la velocidad lateral se calculó utilizando los datos horarios de la componente meridional del viento (v) de ERA-5. Utilizamos los datos de altura de la capa límite del ERA-5. Se calcula a partir del método del número de Richardson a granel, que es adecuado para condiciones de capa límite convectivas y estables. La ecuación (8) se utiliza para calcular la longitud de Monin-Obukhov que representa la condición de la estructura de estabilidad atmosférica. Mantuvimos el valor de la altura de desplazamiento, d, en cero, ya que estamos tratando con la atmósfera sobre la superficie del océano. La altura de medición se calcula como (z − d), donde z = 110 m que es la elevación de la parte superior de la superficie de captación de la bocatoma. El uso de los datos de entrada para el modelo de huella de flujo 2-D de Kljun et al.26 proporciona las líneas de contorno en el sistema de coordenadas cartesianas (x e y) para el porcentaje particular de la huella como entrada. Se ha utilizado Sci-kit, una biblioteca de procesamiento de imágenes basada en el algoritmo de Douglas-Peucker, para obtener el eje mayor y menor del modelo de elipse creado a partir del punto de contorno de x e y. El eje mayor representa la distancia de alcance en la dirección contra el viento desde la entrada instalada del sistema de recolección de vapor de agua. El área encerrada dentro de los puntos de contorno de la huella es el área de la huella obtenida de la documentación del sci-kit.

Los datos por hora de ERA-5 en niveles únicos se han utilizado para realizar los análisis presentados en este estudio. Los datos están disponibles públicamente aquí: http://bit.ly/3ENBxbT.

Kummu, M. et al. El camino del mundo hacia la escasez de agua: escasez y estrés en el siglo XX y caminos hacia la sostenibilidad. ciencia Rep. 6, 1–16 (2016).

Artículo Google Académico

Mekonnen, MM & Hoekstra, AY Cuatro mil millones de personas enfrentan una grave escasez de agua. ciencia Adv. https://doi.org/10.1126/sciadv.1500323 (2016).

Artículo PubMed PubMed Central Google Académico

Mualla, W. La gestión de la demanda de agua es imprescindible en los países mena.... pero ¿es suficiente?. J. Geol. recurso Ing. 6, 59–64 (2018).

Google Académico

Cosgrove, WJ & Loucks, DP Gestión del agua: Desafíos actuales y futuros y direcciones de investigación. Recurso de agua. Res. 51, 4823–4839 (2015).

Artículo ANUNCIOS Google Académico

Pittock, J. & Lankford, B. Requisitos ambientales de agua: gestión de la demanda en una era de escasez de agua. J.Integr. Reinar. ciencia 7, 75–93 (2010).

Artículo Google Académico

El Kharraz, J., El-Sadek, A., Ghaffour, N. y Mino, E. Escasez de agua y sequía en los países de WANA. Procedia Ing. 33, 14–29 (2012).

Artículo Google Académico

Bogardi, JJ et al. Seguridad hídrica para un planeta bajo presión: los desafíos interconectados de un mundo cambiante exigen soluciones sostenibles. actual Opinión Reinar. Sostener. 4, 35–43 (2012).

Artículo Google Académico

van Zyl, A. & Jooste, JL Retención y reciclaje de agua para abordar la escasez de agua en la ciudad de ciudad del cabo. desarrollo África del Sur 39 (2), 108–125 (2022).

Artículo Google Académico

Garrick, D. et al. Soluciones escalables a la escasez de agua dulce: Promoviendo teorías de cambio para incentivar el uso sostenible del agua. Seguridad de agua 9, 100055 (2020).

Artículo Google Académico

Vuppaladadiyam, AK et al. Una revisión sobre la reutilización de aguas grises: calidad, riesgos, barreras y escenarios globales. Rev. Medio Ambiente. ciencia Bio/Tecnología. 18, 77–99 (2019).

Artículo CAS Google Académico

Bierkens, MF & Wada, Y. Uso de agua subterránea no renovable y agotamiento de agua subterránea: una revisión. Reinar. Res. Letón. 14, 063002 (2019).

Artículo ANUNCIOS Google Académico

Davies, B. Las 'torres de agua' de las montañas del mundo se están derritiendo, poniendo en riesgo a 1.900 millones de personas. La conversación (2019).

Gosling, SN & Arnell, NW Una evaluación global del impacto del cambio climático en la escasez de agua. Clima Cambio 134, 371–385 (2016).

Artículo ANUNCIOS Google Académico

Lupica, A. Gobierno declara escasez de agua sin precedentes en el río Colorado. https://worldwarzero.com/magazine/2021/08/government-declares-unprecedented-colorado-river-water-shortage/ (2021).

Fountain, H. Por primera vez, EE. UU. declara escasez en el río Colorado, lo que obliga a cortes de agua. https://www.nytimes.com/2021/08/16/climate/colorado-river-water-cuts.html (2021).

Salvatore Pascale, DTT En un mundo en calentamiento, la sequía del 'día cero' de Ciudad del Cabo no será una anomalía, dice un investigador de Stanford. https://news.stanford.edu/2020/11/09/cape-towns-day-zero-drought-sign-things-come/ (2020).

Parks, R., McLaren, M., Toumi, R. & Rivett, U. Experiencias y lecciones en la gestión del agua de Ciudad del Cabo. Instituto Grantham Breve. Documento 29, 1–8 (2019).

Google Académico

Bond, NR, Lake, PS & Arthington, AH Los impactos de la sequía en los ecosistemas de agua dulce: una perspectiva australiana. Hidrobiología 600, 3–16 (2008).

Artículo Google Académico

Clarke, R. Water: The International Crisis (Routledge, Londres, 2013).

Libro Google Académico

Aende, A., Gardy, J. & Hassanpour, A. Desalinización de agua de mar: una revisión de la técnica de ósmosis directa, sus desafíos y perspectivas futuras. Procesos 8, 901 (2020).

Artículo CAS Google Académico

Elimelech, M. & Phillip, WA El futuro de la desalinización de agua de mar: energía, tecnología y medio ambiente. Ciencia 333, 712–717 (2011).

Artículo ADS CAS PubMed Google Scholar

Ihsanullah, I., Atieh, MA, Sajid, M. y Nazal, MK Desalinización y medio ambiente: un análisis crítico de los impactos, estrategias de mitigación y tecnologías de desalinización más ecológicas. ciencia Entorno Total. 780, 146585 (2021).

Artículo ADS CAS PubMed Google Scholar

Petersen, KL, Frank, H., Paytan, A. y Bar-Zeev, E. Impactos de la desalinización del agua de mar en los entornos costeros. En Manual de desalinización sostenible, 437–463 (Elsevier, 2018).

Stull, RB Introducción a la meteorología de la capa límite vol. 13 (Springer Science & Business Media, Berlín, 1988).

Libro MATEMÁTICAS Google Académico

Rosegrant, MW y Cai, X. Proyecciones mundiales de oferta y demanda de agua: resultados y perspectivas de la parte 2 hasta 2025. Water Int. 27, 170–182 (2002).

Artículo Google Académico

Kljun, N., Calanca, P., Rotach, M. & Schmid, HP Una parametrización bidimensional simple para la predicción de la huella de flujo (FFP). Geosci. Desarrollo del modelo 8, 3695–3713 (2015).

Artículo ANUNCIOS Google Académico

NASA. https://rb.gy/38h5mg. (2022).

Alkaisi, A., Mossad, R. & Sharifian-Barforoush, A. Una revisión de los sistemas de desalinización de agua integrados con energía renovable. Energy Procedia110, 268–274, https://doi.org/10.1016/j.egypro.2017.03.138 (2017). Primera Conferencia Internacional sobre Energía y Potencia, ICEP2016, 14-16 de diciembre de 2016, Universidad RMIT, Melbourne, Australia.

Miri, R. & Chouikhi, A. Impactos marinos ecotoxicológicos de las plantas desalinizadoras de agua de mar. Desalinización 182, 403–410 (2005).

Artículo CAS Google Académico

Arvidsson, I. & Hellstrom, B. Una nota sobre el rocío en Egipto. Toro. Inst. Hidráulica. Inst. R. Tecnología Stoch. https://doi.org/10.1126/sciadv.1500323 (1955).

Artículo Google Académico

Lindblom, J. & Nordell, B. Condensación subterránea de aire húmedo para producción de agua potable y riego subterráneo. Desalinización 203, 417–434 (2007).

Artículo CAS Google Académico

Alnaser, WE & Barakat, A. Uso de vapor de agua condensado de la atmósfera para riego en Bahrein. aplicación Energía 65, 3–18 (2000).

Artículo CAS Google Académico

Sharan, G., Clus, O., Singh, S., Muselli, M. & Beysens, D. Un gran colector de crestas de rocío y lluvia en el área de Kutch (Gujarat, India). J. Hydrol. 405, 171–181 (2011).

Artículo ANUNCIOS Google Académico

Jorge Ernesto, A.-T. y José Jason, F.-P. Cosecha de rocío de invierno en la ciudad de México. Ambiente 7, 2 (2016).

Artículo ANUNCIOS Google Académico

Ming, T., Gong, T., de Richter, RK, Wu, Y. y Liu, W. Un dispositivo de condensación de aire húmedo para la producción sostenible de energía y generación de agua. Convertidores de energía. Administrar 138, 638–650 (2017).

Artículo Google Académico

Fathieh, F. et al. Producción práctica de agua a partir del aire del desierto. ciencia Adv. 4, eaat3198 (2018).

Artículo ADS PubMed PubMed Central Google Scholar

Wu, Y., Ming, T., de Richter, R., Höffer, R. y Niemann, H.-J. Generación de agua dulce a gran escala a partir del aire húmedo utilizando la chimenea solar modificada. Renovar. Energía 146, 1325–1336 (2020).

Artículo Google Académico

Haechler, I. et al. Explotación del enfriamiento radiativo para la recolección ininterrumpida de agua de la atmósfera las 24 horas. ciencia Adv. 7, eabf3978 (2021).

Artículo ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Hellström, B. Agua potable extraída del aire informe sobre experimentos de laboratorio. J. Hydrol. 9, 1–19 (1969).

Artículo ANUNCIOS Google Académico

Abualhamayel, H. & Gandhidasan, P. Un método para obtener agua dulce de la atmósfera húmeda. Desalinización 113, 51–63 (1997).

Artículo CAS Google Académico

Wahlgren, RV Diseños de procesadores de vapor de agua atmosféricos para la producción de agua potable: una revisión. Agua Res. 35, 1–22 (2001).

Artículo CAS PubMed Google Académico

Anbarasu, T. & Pavithra, S. Sistema de refrigeración por compresión de vapor que genera agua dulce a partir de la humedad del aire. En Conferencia Internacional sobre Energía Sostenible y Sistemas Inteligentes (SEISCON 2011), 75–79 (IET, 2011).

Al-Farayedhi, AA, Ibrahim, NI & Gandhidasan, P. Condensado como fuente de agua de sistemas de compresión de vapor en regiones cálidas y húmedas. Desalinización 349, 60–67 (2014).

Artículo CAS Google Académico

Gido, B., Friedler, E. & Broday, DM Evaluación de la recolección de humedad atmosférica por enfriamiento directo. atmósfera Res. 182, 156–162 (2016).

Artículo Google Académico

Bagheri, F. Investigación del rendimiento de los sistemas de captación de agua atmosférica. Recurso de agua. Ind. 20, 23–28 (2018).

Artículo Google Académico

Cattani, L., Magrini, A. & Cattani, P. Extracción de agua del aire por refrigeración: resultados experimentales de una aplicación de sistema integrado. aplicación ciencia 8, 2262 (2018).

Artículo CAS Google Académico

Salek, F., Moghaddam, AN & Naserian, MM Análisis termodinámico y mejora de un novedoso generador de agua atmosférica impulsado por energía solar. Convertidores de energía. Administrar 161, 104–111 (2018).

Artículo Google Académico

Hoseini, H. & Mehdipour, R. Evaluación del rendimiento de chimeneas solares híbridas para la producción de agua dulce. Reinar. Sostener el progreso. Energía 39, 13276 (2020).

Artículo CAS Google Académico

Kabeel, A., Abdulaziz, M. & El-Said, EM Utilización de un generador de agua atmosférica basado en energía solar para la recuperación de agua dulce: un estudio numérico. En t. J. Energía ambiental 37, 68–75 (2016).

Artículo Google Académico

Reznikov, M., Salazar, M., Lopez, M. y Rivera-Sustache, M. Recolección mejorada eléctricamente de vapor de agua del aire. En Actas Reunión anual de la ESA sobre electrostática, 1 (2015).

Nandy, A., Saha, S., Ganguly, S. & Chattopadhyay, S. Un proyecto sobre generador de agua atmosférica con el concepto de efecto peltier. En t. j adv. computar Res. 4, 481 (2014).

Google Académico

Muñoz-García, M., Moreda, G., Raga-Arroyo, M. & Marín-González, O. Captación de agua para árboles jóvenes mediante módulos peltier alimentados con energía solar fotovoltaica. computar Electrón. agricola 93, 60–67 (2013).

Artículo Google Académico

Dia, M. Marco de modelado del sistema de deshumidificación asistido por energía solar para generar agua dulce a partir del aire (Facultad de Ingeniería y Tecnologías de la Información, Escuela de Ingeniería Química y Biomolecular, 2012).

Gad, H., Hamed, A. & El-Sharkawy, I. Aplicación de un sistema desecante/colector solar para la recuperación de agua del aire atmosférico. Renovar. Energía 22, 541–556 (2001).

Artículo CAS Google Académico

Abd Manaf, I., Durrani, F. & Eftekhari, M. Una revisión de los sistemas de enfriamiento evaporativo desecante en climas cálidos y húmedos. Adv. Construir. Res. de energía 15, 1–42 (2021).

Artículo Google Académico

Srivastava, S. & Yadav, A. Análisis económico de la producción de agua a partir del aire atmosférico utilizando el reflector Scheffler. aplicación ciencia del agua 9, 1–10 (2019).

Artículo ANUNCIOS Google Académico

Kallenberger, PA & Fröba, M. Recolección de agua del aire con una sal higroscópica en una matriz derivada de hidrogel. común química 1, 1–6 (2018).

Artículo CAS Google Académico

Mohamed, M., William, G. & Fatouh, M. Utilización de energía solar en la producción de agua a partir de aire húmedo. Sol. Energía 148, 98–109 (2017).

Artículo ADS CAS Google Académico

Furukawa, H. et al. Adsorción de agua en marcos organometalúrgicos porosos y materiales relacionados. Mermelada. química Soc. 136, 4369–4381 (2014).

Artículo CAS PubMed Google Académico

Logan, MW, Langevin, S. & Xia, Z. Recolección de agua atmosférica reversible usando estructuras metal-orgánicas. ciencia Rep. 10, 1–11 (2020).

Artículo Google Académico

Kim, H. et al. Dispositivo de recolección de agua atmosférica basado en adsorción para climas áridos. Nat. común 9, 1–8 (2018).

ANUNCIOS Google Académico

Dai, X. et al. Superficies rugosas resbaladizas direccionales hidrofílicas para la recolección de agua. ciencia Adv. https://doi.org/10.1126/sciadv.aaq0919 (2018).

Artículo PubMed PubMed Central Google Académico

Wang, J., Wang, R., Wang, L. & Liu, J. Un sistema semiabierto de alta eficiencia para la producción de agua dulce de la atmósfera. Energía 138, 542–551 (2017).

Artículo Google Académico

Milani, D., Qadir, A., Vassallo, A., Chiesa, M. & Abbas, A. Modelo validado experimentalmente para la generación de agua atmosférica utilizando un sistema de deshumidificación por desecante asistido por energía solar. Construcción de energía. 77, 236–246 (2014).

Artículo Google Académico

Kabeel, A. Producción de agua a partir del aire utilizando un sistema de pirámide de vidrio solar de estantes múltiples. Renovar. Energía 32, 157–172 (2007).

Artículo CAS Google Académico

Berry, DI, Frajka-Williams, E., McCarthy, G., Rayner, D. y Smeed, DA Estado del clima en 2013. Bol. Soy. Meteorito. Soc. 95, S1–S279 (2014).

Artículo Google Académico

Simmons, AJ & Poli, P. Arctic warming in era-interim y otros análisis. Meteorol QJR. Soc. 141, 1147–1162 (2015).

Artículo ANUNCIOS Google Académico

Simmons, A., Untch, A., Jakob, C., Kållberg, P. & Unden, P. Vapor de agua estratosférico y temperaturas de la tropopausa tropical en análisis del ECMWF y simulaciones multianuales. Meteorol QJR. Soc. 125, 353–386 (1999).

Artículo ANUNCIOS Google Académico

McCray, JE Hidrología: una introducción: (Wilfried Brutsaert) (2007).

Danabasoglu, G. et al. El modelo de sistema comunitario de tierra versión 2 (cesm2). j adv. Modelo. Earth Syst.12, e2019MS001916 (2020).

Artículo ANUNCIOS Google Académico

O'Neill, BC et al. El proyecto de intercomparación de modelos de escenarios (ScenarioMIP) para CMIP6. Geosci. Desarrollo del modelo 9, 3461–3482 (2016).

Artículo ANUNCIOS Google Académico

Garratt, J. The Atmospheric Boundary Layer (Cambridge Atmospheric and Space Science Series) (Cambridge University Press, Cambridge, 1994).

Google Académico

Hernández Rodríguez, LC, Goodwell, AA y Kumar, P. Dentro de la huella de flujo: comprensión del papel de la heterogeneidad organizada de la cobertura terrestre en los flujos de intercambio tierra-atmósfera. agricola Meteorol del Bosque. (2022). https://ssrn.com/abstract=4034618.

ECMWF. https://confluence.ecmwf.int/pages/viewpage.action?pageid=133262398. Servicio de Cambio Climático de Copernicus (C3S), ECMWF (2015).

Descargar referencias

Esta investigación fue apoyada por la Cátedra Lovell de la Universidad de Illinois en el Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental, el Programa de Becarios Universitarios en el Departamento de Ciencias Atmosféricas y parcialmente apoyada por NSF Grant EAR-1331906. Los autores agradecen al Centro Europeo de Pronósticos Meteorológicos a Medio Plazo (ECMWF) por hacer que el conjunto de datos de Reanálisis sea de libre acceso. Los autores también agradecen al equipo de ESRI por hacer accesibles los datos del shapefile sobre las fronteras terrestres y las regiones oceánicas del mundo. Los autores reconocen a la Dra. Leila Hernández Rodríguez, ahora investigadora postdoctoral en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (LBNL), Departamento de Energía de EE. UU., con respecto al análisis de la huella de flujo y la conceptualización del concepto del diagrama "Fetch Rose".

Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental, Universidad de Illinois en Urbana-Champaign, Champaign, IL, EE. UU.

Afeefa Rahman y Praveen Kumar

Departamento de Ciencias Atmosféricas, Universidad de Illinois en Urbana-Champaign, Champaign, IL, EE. UU.

Praveen Kumar & Francina Dominguez

Instituto de Investigación de la Pradera, Universidad de Illinois en Urbana-Champaign, Champaign, IL, EE. UU.

Praveen Kumar

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El enfoque presentado aquí fue concebido por PK, y la dirección de investigación establecida por PK y FDAR realizó los análisis en consulta con PK y FDAR y PK escribieron conjuntamente el manuscrito en consulta con FD

Correspondencia a Praveen Kumar.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Reimpresiones y permisos

Rahman, A., Kumar, P. & Dominguez, F. Aumentar el suministro de agua dulce para abordar de manera sostenible la seguridad hídrica mundial a escala. Informe científico 12, 20262 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-24314-2

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Recibido: 04 Abril 2022

Aceptado: 14 noviembre 2022

Publicado: 06 diciembre 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-24314-2

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