[논문 리뷰] On the recognition of fundamental physical principles in recent atmospheric-environmental studies

Gerhard Kramm, R. Dlugi외 1명|ArXiv.org|2007. 11. 09.

Atmospheric and Environmental Gas Dynamics참고 문헌 51인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 최근 대기과학에서 사용되는 대체 질량 보존 방정식을 비판하며, 질량 보존 법칙을 위반하고 물리적 단위가 일관되지 않은 바람에 이를 입증한다. 정확한 적분 형태로부터 올바른 전 지구적 질량 보존 방정식을 유도하여, CO₂ 배출 및 흡착이 체적 소스가 아니라 경계 조건으로 간주되어야 하며, 잘못된 방정식은 허용되는 흐름 추정에 사용되는 몬린-오브وخ프 유사성 법칙의 타당성을 무너뜨린다.

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.

연구 동기 및 목표

• 대기 성분에 대한 대체 질량 보존 방정식의 근본적인 오류를 규명하고 수정한다.
• 이러한 대체 방정식이 질량 보존의 물리 법칙을 위반하고 물리적 단위가 일관되지 않음을 입증한다.
• 정확한 적분 형태를 사용하여 CO₂와 같은 희귀 기체의 전 지구적 질량 보존에 대한 정확한 틀을 수립한다.
• 잘못된 방정식의 사용이 난류 흐름 추정에 사용되는 몬린-오브وخ프 유사성 법칙의 타당성을 해친다는 것을 보여준다.
• 전 지구적 배출 및 흡착이 대기 CO₂ 예산에서 체적 소스가 아니라 경계 조건으로 간주되어야 한다는 점을 재확인한다.

제안 방법

• 이동하는 유체 부피에서 질량 보존의 정확한 적분 형태로부터 정확한 국소 질량 보존 방정식을 유도한다.
• 질량 이동과 연속성의 물리적 기초를 위해 질량 중심 속도와 확산 유량을 사용한다.
• 레이놀즈 평균화와 앨런 분산 기준을 웨이브릿 분석과 결합하여 최적의 평균화 시간을 결정하며, 블록 평균화를 기각한다.
• 수평 균일성을 가정하여 질량 보존 방정식을 수직으로 통합하여 희귀 기체에 대한 전 지구 평균 형태를 도출한다.
• 정확한 레이놀즈 평균 질량 보존 방정식과 대체 형태를 비교하여 물리적 단위와 구조적 불일치를 폭 드러낸다.
• CO₂에 대한 전 지구 평균 질량 보존 방정식을 유도하며, 배출 및 흡착을 체적 소스가 아니라 경계 유량으로 간주한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 대기 성분에 대한 대체 질량 보존 방정식은 근본적인 질량 보존 법칙을 위반하는가?
• RQ2 대체 방정식의 항들이 물리적 단위가 일관되지 않은 이유는 무엇이며, 이는 그 유효성에 어떤 함의를 갖는가?
• RQ3 기초가 되는 질량 보존 방정식이 물리적으로 일관되지 않은 경우 몬린-오브وخ프 유사성 법칙을 의미 있게 적용할 수 있는가?
• RQ4 전 지구적 CO₂ 배출 및 흡착은 대기 질량 보존 방정식에서 어떻게 정확히 표현되어야 하는가?
• RQ5 전 지구적 CO₂ 예산에서 경계 조건과 체적 소스의 정확한 물리적 해석은 무엇인가?

주요 결과

• 대체 질량 보존 방정식은 연속 방정식을 위반하므로 물리적 법칙인 질량 보존을 위반한다.
• 대체 방정식의 항들은 물리적 단위가 일관되지 않으며, 이는 그 물리적 비일관성을 명백히 입증한다.
• 이러한 방정식의 사용은 난류 흐름의 추정에 필수적인 몬린-오브وخ프 유사성 법칙의 물리적 기초를 무너뜨린다.
• CO₂에 대한 정확한 전 지구 평균 질량 보존 방정식은 총 배출 및 흡착이 체적 소스가 아니라 경계 조건으로 간주되어야 한다고 보여준다.
• 전 지구적 배출이 흡착을 초과할 경우 CO₂의 부분 밀도는 시간이 지남에 따라 증가하며, 이는 18세기 이래 관측된 대기 중 CO₂ 증가와 일치한다.
• 1990년대 수준을 초과하는 대기 중 CO₂ 농도의 안정화는 흡착이 총 배출을 초과해야 가능하며, 이는 생물권 및 해양의 탄소 흡착 증가가 필요함을 의미한다.