[論文レビュー] On the recognition of fundamental physical principles in recent atmospheric-environmental studies

Gerhard Kramm, R. Dlugi+1 more|ArXiv.org|Nov 9, 2007

Atmospheric and Environmental Gas Dynamics参考文献 51被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、最近の気象科学で用いられている代替質量収支方程式を批判し、それらが質量保存の法則に違反しており、物理的単位が一貫していないことを示している。正確な積分形式に基づいて正しいグローバル質量収支方程式を導出し、CO₂の排出量と吸収量が体積源ではなく境界条件として扱われるべきであることを示している。また、誤った方程式は、フラックス推定に用いられるモノイン＝オブフホフ類似則の有効性を無効にしている。

ABSTRACT

In this paper, so-called alternative mass balance equations for atmospheric constituents published recently are assessed in comparison with the true local mass balance equations deduced from exact integral formulations. It is shown that these "alternative" expressions appreciably violate the physical law of the conservation of mass as expressed by the equation of continuity. It is also shown that terms of these "alternative" mass balance equations have different physical units, a clear indication that these "alternative" expressions are incorrect. Furthermore, it is argued that in the case of "alternative" mass balance equations a real basis for Monin-Obukhov similarity laws does not exist. These similarity laws are customarily used to determine the turbulent fluxes of momentum, sensible heat and matter in the so-called atmospheric surface layer over even terrain. Moreover, based on exact integral formulations a globally averaged mass balance equation for trace species is derived. It is applied to discuss the budget of carbon dioxide on the basis of the globally averaged natural and anthropogenic emissions and the globally averaged uptake caused by the terrestrial biosphere and the oceans.

研究の動機と目的

• 大気中の成分に対する代替質量収支方程式に内在する根本的誤りを特定・是正すること。
• これらの代替方程式が物理的法則たる質量保存の法則に違反しており、物理的単位が一貫していないことを示すこと。
• 正確な積分形式を用いて、CO₂などの痕跡ガスのグローバル質量収支の正しい枠組みを確立すること。
• 誤った方程式の使用が、乱流フラックス推定に用いられるモノイン＝オブフホフ類似則の有効性を損なうことを示すこと。
• グローバルCO₂予算において、排出量と吸収量が体積源ではなく境界条件として取り扱われるべきであることを再確認すること。

提案手法

• 移動する流体体積における質量保存の正確な積分形式から、正しい局所的質量収支方程式を導出すること。
• 重心速度と拡散フラックスを用いて、質量輸送と連続の物理的基礎を定義すること。
• レインズ平均化とアラン分散基準を波let解析と併用して最適な平均化時間を特定し、ブロック平均化を排除すること。
• 水平均一性の仮定の下で質量収支方程式を垂直方向に積分し、痕跡物質のグローバル平均形を導出すること。
• 正しいレインズ平均化された質量収支と代替形式を比較し、物理的単位および構造の不一致を明らかにすること。
• CO₂のグローバル平均質量収支方程式を導出し、排出量と吸収量を体積源ではなく境界フラックスとして扱うこと。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 大気中の成分に対する代替質量収支方程式は、質量保存の法則に違反しているか？
• RQ2 代替方程式の項に物理的単位が一貫していないのはなぜか？ これはその妥当性にどのような意味を持つのか？
• RQ3 基礎となる質量収支方程式が物理的に不整合である場合、モノイン＝オブフホフ類似則を意味的に適用できるのか？
• RQ4 グローバルCO₂排出量と吸収量は、大気中の質量収支方程式でどのように正しく表現されるべきか？
• RQ5 グローバルCO₂予算において、境界条件と体積源の正しい物理的解釈は何か？

主な発見

• 代替質量収支方程式は連続の式に違反しており、結果として物理的法則たる質量保存の法則に違反している。
• 代替方程式の項には物理的単位が一貫していないため、それらの物理的非整合性を明確に示している。
• これらの方程式の使用は、CO₂や他の痕跡ガスの乱流フラックス推定に不可欠なモノイン＝オブフホフ類似則の物理的根拠を無効にしている。
• 正しいグローバル平均質量収支方程式では、排出総量と吸収量が体積源ではなく境界条件として扱われるべきであることが示された。
• 全球排出量が吸収量を上回る場合、CO₂の局所的密度は時間とともに増加し、18世紀以降の観測された大気中CO₂上昇と整合的である。
• 1990年の値を超えるレベルで大気中のCO₂を安定化させるには、吸収量が排出総量を上回る必要があり、これは生物圏および海洋の炭素吸着の強化を要請する。