[論文レビュー] Remote Sensing of Geomagnetic Field and Applications to Climate Prediction

AMary Selvam|ArXiv.org|Feb 17, 2000

Solar and Space Plasma Dynamics被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、大気渦動力学と地球磁場を結ぶ包括的理論を提唱し、大規模な大気乱流が垂直方向のエアロゾル電流を生成し、それが水平方向の地球磁場を生じることを示している。このメカニズムには、表面摩擦による浮力エネルギー、周期倍増のカオス、および電荷分離が関与し、衛星でモニタリングされた地球磁場変動を用いることで、気象・気候予測の精度が向上する。

ABSTRACT

Observations show that geomagnetic field lines follow closely the atmospheric circulation patterns and that geomagnetic field variations are precursors to climate change . The exact mechanism for the observed close relationship between global geomagnetic field and the tropospheric weather patterns is not clear. In this paper a universal theory of atmospheric eddy dynamics is presented which shows that the global geomagnetic field, atmospheric electric field and weather systems are manifestations of a semi permanent scale invariant hierarchical atmospheric eddy continuum. Quantitative equations are derived to show that the full continuum of atmospheric eddies exist as a unified whole and originate from buoyant energy supply from frictional turbulence at the planetary surface . Large eddy growth occurs from turbulence scale by the universal period doubling route to chaos . The turbulent eddies are carried upwards on the large eddy envelopes and vertical mixing occurs by the turbulent eddy fluctuations resulting in downward transport of negative space charges from higher levels and simultaneous upward transport of positive space charges from surface levels. The eddy circulations therefore generate a large-scale vertical aerosol current, which is of the correct sign and magnitude to generate the horizontal component of the geomagnetic field. Therefore, atmospheric circulation patterns leave signature on the geomagnetic field lines whose global variations can be easily monitored by satellite borne sensors and thus assist in weather and climate prediction.

研究の動機と目的

• 地球磁場の変動と大気循環パターンの間の観測された相関関係を説明すること。
• 大気乱流と水平方向地球磁場生成を結ぶ物理的メカニズムを特定すること。
• 地球磁場の変動が気候変動の予兆として機能することを確立すること。
• 気象・気候予測に地球磁場データを定量的に活用するフレームワークを構築すること。
• 大気渦が表面摩擦による乱流によって駆動されるスケール不変で階層的な連続体を形成すること

提案手法

• 半永久的でスケール不変の階層的気象渦連続体の定量的方程式を導出する。
• 乱流スケールからの大渦成長をモデル化するため、普遍的な周期倍増のカオスへの道筋を適用する。
• 空間電荷の垂直輸送をモデル化する：負電荷の下降と正電荷の上昇。
• 得られた大規模な垂直エアロゾル電流と水平方向地球磁場の生成を結びつける。
• 衛星搭載センサーを用いて、大気循環の代理指標として地球磁場変動を全球的にモニタリングする。
• 生成された磁場の符号と大きさが観測された地球磁場成分と一致することを確立する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 大気乱流がどのように水平方向地球磁場を生成するのか？
• RQ2 スケール不変の渦動力学が、地球磁場変動と気象パターンを結ぶ役割を果たすメカニズムは何か？
• RQ3 大気中の電荷輸送メカニズムが、測定可能な地球磁場変動をどのように生じさせるのか？
• RQ4 地球磁場変動は気候変動予測の信頼できる予兆として機能できるか？
• RQ5 地球磁場線と対流圏循環の間の観測された相関関係の物理的起源は何か？

主な発見

• 地球磁場の全球的変動は、乱流渦と電荷分離によって駆動される大規模な垂直エアロゾル電流に起因する。
• このメカニズムには、表面摩擦による乱流から生じる浮力エネルギーが関与し、周期倍増のカオスへの道筋に従って渦が成長する。
• 乱流渦は負電荷を下方に、正電荷を上方に運搬し、水平地球磁場と整合する一貫性のある電流を生成する。
• 生成された磁場の大きさと符号が観測された地球磁場成分と一致し、メカニズムの妥当性が裏付けられる。
• 衛星による地球磁場変動のモニタリングは、大気循環パターンの追跡に実用的な手法を提供する。
• 地球磁場変動が気候変動の信頼できる予兆であることが示され、予測能力の向上が可能になる。