[논문 리뷰] Atmosphere and Greenhouse Gas Primer

W. A. van Wijngaarden, W. Happer|arXiv (Cornell University)|2023. 03. 01.

Atmospheric Ozone and Climate인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 이산화탄소와 수증기와 같은 Greenhouse 기체가 지구 대기에서 열저항을 만들어내어 대류를 일으키는 대류권과 복사에 의해 구동되는 성층권을 형성하는 방식을 설명한다. 기본 열역학과 복사 전달 이론을 사용하여, CO₂ 농도 증가가 대기 투과도를 높여 지표면 온도를 상승시킨다는 것을 보여주며, 모델과 위성 관측 간의 높은 일치도는 스펙트럼 특성이 복잡함에도 불구하고 복사 전달 계산의 정확성을 확인한다.

ABSTRACT

We discuss how greenhouse gases affect radiation transfer in Earth's atmosphere. We explain how greenhouse gases like water vapor or carbon dioxide, differ from non-greenhouse gases like nitrogen or oxygen. Using simple thermodynamics and fluid mechanics, we show that a planet with sufficiently high concentrations of greenhouse gases must develop a convecting troposphere. The planet must also develop a non-convecting stratosphere above the tropopause. In the simplest approximation of an atmosphere that is transparent to sunlight and has frequency-independent opacity for thermal radiation, one can find simple formulas for the tropopause altitude, and for the altitude profiles of pressure and temperature. The troposphere is nearly isentropic and the stratosphere is nearly isothermal. Earth's real atmosphere is much more complicated but it does have a troposphere and a stratosphere. Between the surface and the tropopause the entropy per kilogram of real tropospheric air increases slowly with altitude. The entropy increases much more rapidly with altitude in the stratosphere. The stratosphere has a nearly isothermal lower part and a hotter upper part due to absorption of solar ultraviolet radiation by ozone. The thermal opacity of the real atmosphere has a complicated frequency dependence due to the hundreds of thousands of vibration-rotation transitions of its greenhouse molecules. Unlike the simple model where nearly all radiation to space originates at the tropopause altitude, radiation to space from Earth's real atmosphere originates from both the surface and all altitudes in the troposphere. A small additional amount of radiation originates in the stratosphere. When these complications are taken into account, model calculations of the thermal radiation spectrum at the top of the atmosphere can hardly be distinguished from satellite observations.

연구 동기 및 목표

• 지구 대기에서 온실가스가 복사 전달과 대기 구조에 미치는 기본 물리적 메커니즘을 설명하는 것.
• 대류와 복사 과정을 통해 온실가스가 대류권과 성층권을 형성하는 역할를 명확히 하는 것.
• 모델이 계산한 적외선 복사 스펙트럼이 위성 관측과 일치함을 보여주어, 대기 복잡성에도 불구하고 기초 물리 법칙의 타당성을 입증하는 것.
• 증가하는 CO₂가 지표면 온도에 미치는 영향를 평가하며, 피드백의 역할과 강력한 정성 피드백에 대한 관측적 근거 부족을 강조하는 것.

제안 방법

• 대류를 일으키는 대류권과 대류가 일어나지 않는 성층권을 유도하기 위해 기본 열역학과 유체역학을 사용한다.
• 주파수 의존성 투과도를 고려하여 대기 중 복사 전달을 모델링하기 위해 Schwarzschild 방정식을 적용한다.
• 국소 열역학적 평형과 Boltzmann 분포를 사용하여 대기 중 분자의 에너지 상태를 기술한다.
• 위성의 간섭계를 통해 확보한 실제 위성 측정값과 모델 예측의 지상에서의 적외선 복사 스펙트럼을 비교한다.
• 단순화된 회색 대기 모델을 사용하여 대류권상계 고도, 온도 및 압력 프로파일에 대한 해석적 표현을 유도한다.
• 수증기, 구름 및 오존이 복사 플럭스와 반사율, 특히 적외선 창 영역에서 어떻게 영향을 미치는지 분석한다.

Figure 1: The three vibrational modes of the CO 2 from Fermi’s classic paper on mode mixing [ 5 ] . For the most abundant isotopolgue, 16 O 12 C 16 O, the mode frequencies are: symmetric stretch (b) $\nu_{1}=1388$ cm -1 ; (c) bending $\nu_{2}=667$ cm -1 ; and (d) asymmetric stretch, $\nu_{3}=2349$ c

실험 결과

연구 질문

• RQ1 N₂와 O₂와 같은 비온실가스와는 달리 CO₂와 H₂O와 같은 온실가스가 대기에서 복사 효과를 어떻게 다르게 유도하는가?
• RQ2 충분한 온실가스 농도를 가진 천체에서 대류권과 성층권이 형성되는 물리적 메커니즘은 무엇인가?
• RQ3 실제 대기의 복잡한 스펙트럼 투과도가 지구로 향하는 열복사가 기원하는 고도에 얼마나 큰 영향을 미치는가?
• RQ4 단순화된 복사 전달 모델이 실제로 관측된 지구의 외부 대기에서 방출되는 열복사 스펙트럼을 얼마나 잘 재현하는가?
• RQ5 CO₂ 농도 증가가 지표면 온도에 미치는 정량적 영향는 무엇이며, 피드백 메커니즘이 이 영향에 어떻게 작용하는가?

주요 결과

• 단순한 회색 대기 모델에서 대류권은 거의 등엔트로피이며 성층권은 거의 등온이며, 대류권상계 고도는 복사와 대류의 균형에 의해 결정된다.
• 실제 대기에서는 지구로 향하는 열복사가 대류권의 여러 고도에서 기원하며 성층권의 작은 기여도가 포함되며, 단순 모델에서처럼 대류권상계에서만 기원하지는 않는다.
• 지상에서의 적외선 스펙트럼에 대한 모델 계산 결과는 수증기 농도가 다양하게 변화하는 사하라, 지중해, 남극 지역을 포함한 다양한 지역에서 위성 관측 결과와 매우 높은 일치도를 보인다.
• 모든 피드백을 고려할 경우 CO₂ 농도가 두 배로 증가할 경우 지표면 온도 상승은 약 1 °C로 추정되며, 강력한 정성 피드백에 대한 관측적 근거는 없다.
• 구름과 반사율 변화, 예를 들어 북극 빙하 녹기와 같은 현상은 지역적 영향을 미칠 뿐이며 전 지구 에너지 균형에 큰 영향을 주지 않는다.
• 대기는 열기관으로 작용하며, 온실가스는 열저항 역할을 하여 에너지의 수직 이동을 가능하게 하고 기상 및 기후 역학을 이끈다.

Figure 2: To calculate greenhouse effects in detail, one must include the opacity of hundreds of thousands of individual line intensities, shown here as colored dots from the HITRAN data base. More details of how line intensities are used can be found in references [ 6 , 7 ] .