[논문 리뷰] Consistent Static Models of Local Thermospheric Composition Profiles

J. M. Picone, J. T. Emmert외 1명|arXiv (Cornell University)|2016. 07. 12.

Gas Dynamics and Kinetic Theory참고 문헌 18인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 비드라이브 multifluid 운동 방정식을 해결하여 국소 대기권 상층부 조성 프로파일에 대해 물리적으로 일관된 정적인 모델을 제안한다. 세 가지 고도 영역—하층 상층부(z < ~100 km), 복합 유체 흐름이 지배하는 영역, 상층 상층부(z > ~200 km), 각 종류의 입자가 분리된 흐름이 지배하는 영역, 그리고 전이 영역—을 규명하며, 유체 정적 평형이 아닌 확산 평형이 진정한 정적 조성 프로파일을 제공한다는 것을 보여준다.

ABSTRACT

The authors investigate the ideal, nondriven multifluid equations of motion to identify consistent (i.e., truly stationary), mechanically static models for composition profiles within the thermosphere. These physically faithful functions are necessary to define the parametric core of future empirical atmospheric models and climatologies. Based on the strength of interspecies coupling, the thermosphere has three altitude regions: (1) the lower thermosphere (herein z &lt; ~100 km), in which all species move together at the composite fluid velocity with an effective particle mass equal to the average particle mass of the composite fluid; (2) the upper thermosphere (herein z &gt; ~200 km), in which the species flows are approximately uncoupled; and (3) a transition region in between, where the effective species particle mass and the effective species vertical flow interpolate between the solutions for the upper and lower thermosphere. We place this view in the context of current terminology within the community, i.e., a fully mixed (lower) region and an upper region in diffusive equilibrium (DE). The latter condition, DE, currently used in empirical composition models, does not represent a truly static composition profile in the presence of finite thermal diffusion. Rather, species by species hydrostatic balance is a consistent (i.e., stationary) static representation of vertical thermospheric composition profiles.

연구 동기 및 목표

• 외부 힘의 영향 없이도 물리적으로 신뢰할 수 있는 정적 모델을 개발하여 대기권 상층부 조성 프로파일을 정확히 반영한다.
• 유한한 열 확산이 존재하는 상황에서 진정한 정적 상태를 반영하지 못하는 확산 평형에 의존하는 현재 경험적 모델의 모순을 해결한다.
• 운동량 및 질량 보존의 제1원리에 기반하여 향후 경험적 대기 모델과 기후학적 분석의 기본 프레임워크를 정의한다.
• 하층, 상층, 전이 영역으로 나누어진 세 영역에서 대기권 종류의 기계적 거동을 명확히 한다.
• 확산 평형이 일반적으로 사용되지만 물리적으로 일관되지 않은 점을 감안할 때, 정적 조성 프로파일의 정확한 표현으로서 유체 정적 평형을 설정한다.

제안 방법

• 외부 힘 없이 작용하는 이상적인 multifluid 운동 방정식을 해결하여 기계적으로 일관된 정적 해를 도출한다.
• 하층 상층부(z < ~100 km)에서 종 간 상호작용을 모델링하기 위해 효과적인 입자 질량과 유속 개념을 적용한다.
• 상층 상층부(z > ~200 km)에서는 각 종이 약간 분리되어 흐름을 나타내므로, 각 종의 별도 유속 해를 사용한다.
• 전이 영역(~100–200 km)에서는 하층과 상층 영역 간의 효과적인 입자 질량과 수직 유속을 보간한다.
• 현재 경험적 모델에서 널리 사용되는 확산 평형과 유체 정적 평형을 정적 해로서의 물리적 일관성 측면에서 비교한다.
• 각 종에 맞는 유체 정적 평형의 해석적 표현을 유도하여 진정한 정적 조성 프로파일을 표현한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 외부 힘의 영향 없이 대기권 상층부 조성 프로파일에 대해 물리적으로 일관된 정적 해는 무엇인가?
• RQ2 종 간 상호작용은 대기권 전역에서 어떻게 변화하며, 상호작용이 있는 영역과 분리된 영역의 전이 조건은 무엇인가?
• RQ3 열 확산이 존재하는 상황에서 왜 널리 사용되는 확산 평형이 진정한 정적 해로 적절하지 않은가?
• RQ4 기계적 평형 조건을 만족하는 대기권 수직 조성 프로파일의 정확한 물리적 표현은 무엇인가?
• RQ5 유체 정적 평형은 향후 경험적 대기 모델과 기후학적 분석의 기초로 어떻게 활용될 수 있는가?

주요 결과

• 하층 상층부(z < ~100 km)는 혼합물의 평균 질량과 동일한 효과적인 입자 질량을 갖는 단일 복합 유체로 행동한다.
• 상층 상층부(z > ~200 km)에서는 각 종의 흐름이 약간 분리되어 있어 개별 종을 독립적으로 다룰 수 있다.
• 전이 영역(~100–200 km)은 하층과 상층 영역 간의 효과적인 입자 질량과 수직 유속 속도에서 보간된 행동을 보인다.
• 현재 경험적 모델에서 널리 사용되는 확산 평형은 유한한 열 확산 효과로 인해 일관된 정적 해가 아니며, 물리적으로 부적절하다.
• 각 종별로 유체 정적 평형이 진정한 정적 조성 프로파일을 물리적으로 일관되게 표현하는 唯一支원되는 해로 규명된다.
• 본 연구는 향후 경험적 대기 모델의 기본 프레임워크에서 확산 평형을 유체 정적 평형으로 대체하기 위한 이론적 기반을 제공한다.