[論文レビュー] Universal spectrum for atmospheric aerosol size distribution: comparison with pcasp-b observations of vocals 2008

AM Selvam|arXiv (Cornell University)|May 1, 2011

Complex Systems and Time Series Analysis参考文献 88被引用数 7

ひとこと要約

本論文は、大気中のフラクタル乱流の揺らぎと最大エントロピー生成の間の一般系理論的関連を根拠として、大気エアロゾル粒子径分布の普遍的逆べき乗スペクトルを提案する。モデルは平均体積半径と全数濃度という2つの測定可能なパラメータのみを用いて一貫したエアロゾル粒子径スペクトルを予測し、VOCALS-2008キャンペーンにおけるPCASP-B観測と強い一致を示し、気候モデルにおける物理的根拠に基づくフレームワークを提供する。

ABSTRACT

Atmospheric flows exhibit scale-free fractal fluctuations. A general systems theory based on classical statistical physical concepts visualizes the fractal fluctuations to result from the coexistence of eddy fluctuations in an eddy continuum, the larger scale eddies being the integrated mean of enclosed smaller scale eddies. The model predicts (i) the eddy energy (variance) spectrum and corresponding eddy amplitude probability distribution are quantified by the same universal inverse power law distribution incorporating the golden mean. (ii) The steady state ordered hierarchical growth of atmospheric eddy continuum is associated with maximum entropy production. (iii) atmospheric particulate size spectrum is derived in terms of the model predicted universal inverse power law for atmospheric eddy energy spectrum. Model predictions are in agreement with observations. Universal inverse power law for power spectra of fractal fluctuations rules out linear secular trends in meteorological parameters. Global warming related climate change, if any, will be manifested as intensification of fluctuations of all scales manifested immediately in high frequency fluctuations. The universal aerosol size spectrum presented in this paper may be computed for any location with two measured parameters, namely, the mean volume radius and the total number concentration and may be incorporated in climate models for computation of radiation budget of earth-atmosphere system.

研究の動機と目的

• 大気の流れにおけるスケールフリーなフラクタル揺らぎに基づき、大気エアロゾル粒子径分布の普遍的理論的枠組みを構築すること。
• 大気乱流のエネルギースペクトルを、普遍的逆べき乗法則を通じて大気エアロゾルの粒子径分布に結びつけること。
• 理論モデルをVOCALS-2008現地キャンペーンにおけるPCASP-B測定データと照合して妥当性を検証すること。
• 平均体積半径と全数濃度という2つの測定可能なパラメータのみを用いて、気候モデルでエアロゾルスペクトルを計算可能にする。
• 気候変動の影響が線形的長期傾向として現れるのではなく、多スケール揺らぎの強化として現れる可能性を示し、線形的長期傾向の仮定を疑問視すること。

提案手法

• 古典的統計物理学と一般系理論を応用し、大気乱流の連続体をネストされた乱流の階層的システムとして記述する。
• 黄金比（φ）を組み込んだ逆べき乗法則を用いて、乱流エネルギースペクトルと振幅確率分布を導出する。
• 理論は、定常状態で秩序立てた階層的成長を示す乱流連続体を仮定し、最大エントロピー生成と関連付ける。
• 予測された普遍的乱流エネルギースペクトルからエアロゾル粒子径スペクトルを導出し、大気乱流と粒子径分布の物理的関連を確立する。
• モデルは平均体積半径と全数濃度という2つの入力パラメータを用いて、普遍的エアロゾル粒子径スペクトルを計算する。
• 理論的予測をVOCALS-2008キャンペーンにおけるイン・サイトPCASP-B測定データと照合し、モデルの妥当性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 大気乱流ダイナミクスの基本的原則から、大気エアロゾル粒子径分布の普遍的逆べき乗スペクトルを導出可能か？
• RQ2 大気乱流の揺らぎのフラクタル性は、観測されたエアロゾル粒子径分布とどのように関連しているか？
• RQ3 最大エントロピー生成と黄金比を用いたモデル予測は、VOCALS-2008の現実世界PCASP-B観測とどの程度一致するか？
• RQ4 気候変動の影響は、線形的傾向ではなく、大気パラメータの多スケール揺らぎの強化として検出可能か？
• RQ5 平均体積半径と全数濃度という2つの測定可能な大気パラメータのみを用いて、普遍的エアロゾルスペクトルを計算することは可能か？

主な発見

• モデルは黄金比を組み込んだ普遍的逆べき乗分布を予測し、VOCALS-2008キャンペーンのPCASP-B観測データと非常に良く一致する。
• 乱流エネルギースペクトルと振幅確率分布が、同一の普遍的逆べき乗法則で記述されることから、モデルに深い物理的整合性が示された。
• 大気乱流連続体の定常状態における階層的成長は、最大エントロピー生成と関連しており、観測されたスケーリングの熱力学的根拠が得られた。
• モデルは気象パラメータの線形的長期傾向を排除し、気候変動の影響がすべてのスケールで揺らぎの強度が増加することとして現れる可能性を示唆する。
• 平均体積半径と全数濃度という2つの測定パラメータのみを用いて、任意の場所の普遍的エアロゾルスペクトルを計算可能である。
• 導出されたエアロゾルスペクトルは、地球-大気気候モデルにおける放射バランス計算の改善に直接応用可能である。