[논문 리뷰] Remote Sensing of Geomagnetic Field and Applications to Climate Prediction

AMary Selvam|ArXiv.org|2000. 02. 17.

Solar and Space Plasma Dynamics인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 대기 난류 역학과 지자기장 사이의 통합 이론을 제안하며, 대규모 대기 난류가 수직 에어로졸 기류를 생성하고, 이 기류가 수평 지자기장을 생성함을 보여준다. 이 메커니즘은 표면 마찰에서 유래한 밀도 에너지, 주기 배제 혼돈, 전하 분리에 기반하며, 위성으로 모니터링된 지자기 변화를 통해 기상 및 기후 예측이 향상될 수 있다.

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.

연구 동기 및 목표

• 지자기장 변화와 대기 순환 패턴 간의 관측된 상관관계를 설명하기 위해.
• 대기 난류와 수평 지자기장 생성 간의 물리적 메커니즘을 규명하기 위해.
• 지자기장 변화가 기후 변화의 전조임을 입증하기 위해.
• 기상 및 기후 예측에 지자기 데이터를 활용하기 위한 정량적 프레임워크를 수립하기 위해.
• 대기 난류가 표면 마찰 난류에 의해 구동되는 척도 불변의 계층적 연속체를 형성함을 입증하기 위해.

제안 방법

• 반영구적이고 척도 불변의 계층적 대기 난류 연속체를 위한 정량적 방정식 유도.
• 난류 척도에서 대규모 난류 성장을 모델링하기 위해 보편적인 주기 배제 혼돈 경로 적용.
• 공간 전하의 수직 이동 모델링: 음전하의 하향 이동과 양전하의 상향 이동.
• 유도된 대규모 수직 에어로졸 기류와 수평 지자기장 성분 생성 간의 연결.
• 위성 탑재 센서를 이용해 대기 순환의 대체 지표로 전 세계 지자기장 변화 모니터링.
• 유도된 필드의 부호와 크기가 관측된 지자기장 성분과 일치함을 입증.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 대기 난류는 어떻게 수평 지자기장을 생성하는가?
• RQ2 척도 불변 난류 역학은 지자기 변화와 기상 패턴을 어떻게 연결하는가?
• RQ3 대기 내 전하 이동 메커니즘이 측정 가능한 지자기장 변화를 어떻게 유도하는가?
• RQ4 지자기장 변화는 기후 변화 예측의 신뢰할 수 있는 전조가 될 수 있는가?
• RQ5 관측된 지자기장 선과 대류권 순환 간 상관관계의 물리적 기원은 무엇인가?

주요 결과

• 전 세계 지자기장은 난류에 의해 구동되는 대규모 수직 에어로졸 기류에서 기인한다.
• 이 메커니즘은 표면 마찰 난류에서 유래한 밀도 에너지에 기반하며, 주기 배제 혼돈 경로를 통해 난류 성장을 이끈다.
• 난류는 음전하를 하향으로, 양전하를 상향으로 운반하여 수평 지자기장과 정렬된 일관된 기류를 생성한다.
• 유도된 필드의 크기와 부호는 관측된 지자기장 성분과 일치하여 메커니즘의 타당성을 검증한다.
• 지자기장 변화의 위성 모니터링은 대기 순환 패턴을 추적하는 실용적인 방법을 제공한다.
• 지자기장 변화가 기후 변화의 신뢰할 수 있는 전조임이 입증되어 예측 능력 향상이 가능함을 보여준다.