[논문 리뷰] Universal spectrum for atmospheric aerosol size distribution: comparison with pcasp-b observations of vocals 2008

AM Selvam|arXiv (Cornell University)|2011. 05. 01.

Complex Systems and Time Series Analysis참고 문헌 88인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 대기 중 에어로졸 크기 분포에 대한 일반적인 시스템 이론을 기반으로 한 보편적인 역거듭제곱 스펙트럼을 제안한다. 이 이론은 대기 중 프랙탈 에디 유동과 최대 엔트로피 생산 원리 간의 연결을 통해 유도된다. 모델은 평균 체적 반경과 총 농도 농도라는 두 가지 측정 가능한 매개변수만을 사용하여 일관된 에어로졸 크기 스펙트럼을 예측하며, VOCALS-2008 캠프에서의 PCASP-B 관측 결과와 강한 일치를 보이며 기후 모델링을 위한 물리적으로 타당한 프레임워크를 제공한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 대기 유동에서 척도 불변 프랙탈 유동과 관련된 보편적인 이론적 프레임워크를 개발하는 것.
• 대기 에디의 에너지 스펙트럼을 보편적인 역거듭제곱 법칙을 통해 대기 에어로졸의 크기 분포와 연결하는 것.
• VOCALS-2008 현장 캠프에서의 실제 PCASP-B 측정치와의 비교를 통해 이론 모델을 검증하는 것.
• 기후 모델에서 평균 체적 반경과 총 농도 농도라는 두 가지 측정 가능한 매개변수만을 사용해 에어로졸 스펙트럼을 계산할 수 있도록 하는 것.
• 기후 변화 영향이 선형적 장기 추세가 아니라 다중 척도 유동 강도 증가 형태로 나타날 수 있음을 보여줌으로써 기상 매개변수의 선형 장기 추세를 도전하는 것.

제안 방법

• 모델은 고전적 통계역학과 일반 시스템 이론을 적용하여 대기 에디 연속체를 중첩된 에디의 계층적 시스템으로 기술한다.
• 황금률(φ)을 포함하는 역거듭제곱 법칙을 사용하여 에디 에너지 스펙트럼과 진폭 확률 분포를 유도한다.
• 이론은 안정 상태이자 질서 있는 계층적 성장을 가정하며, 이는 최대 엔트로피 생산과 관련된다.
• 에어로졸 크기 스펙트럼은 예측된 보편적인 에디 에너지 스펙트럼에서 유도되며, 대기 난류와 입자 크기 분포 간의 연결을 제공한다.
• 두 입력 매개변수인 평균 체적 반경과 총 농도 농도를 사용하여 보편적인 에어로졸 크기 스펙트럼을 계산한다.
• 이론적 예측치는 VOCALS-2008 캠프에서의 현장 PCASP-B 측정치와 비교되어 모델을 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 기본적인 대기 에디 역학 원리로부터 보편적인 역거듭제곱 스펙트럼을 대기 에어로졸 크기 분포에 유도할 수 있는가?
• RQ2 대기 에디 유동의 프랙탈 특성은 관측된 에어로졸 크기 분포와 어떻게 관련되는가?
• RQ3 최대 엔트로피 생산 원리와 황금률을 기반으로 한 모델 예측이 VOCALS-2008 캠프에서의 실제 PCASP-B 관측치와 어느 정도 일치하는가?
• RQ4 기후 변화 영향은 선형 추세가 아니라 다중 척도 유동 강도 증가 형태로 감지될 수 있는가?
• RQ5 기후 모델에서 평균 체적 반경과 총 농도 농도라는 두 가지 측정 가능한 대기 매개변수만으로 보편적인 에어로졸 스펙트럼을 계산하는 것이 가능한가?

주요 결과

• 모델은 황금률을 포함한 보편적인 역거듭제곱 분포를 예측하며, 이는 VOCALS-2008 캠프에서의 실제 PCASP-B 데이터와 밀도 있는 일치를 보인다.
• 에디 에너지 스펙트럼과 진폭 확률 분포는 동일한 보편적인 역거듭제곱 법칙으로 정량화되어 있어 모델 내부의 깊은 물리적 일관성을 나타낸다.
• 대기 에디 연속체의 안정 상태 계층적 성장은 최대 엔트로피 생산과 관련되어 있으며, 이는 관측된 척도 불변성의 열역학적 기반을 제공한다.
• 선형 장기 추세는 모델에서 배제되며, 기후 변화 영향이 모든 척도에서 유동 강도 증가 형태로 나타날 것임을 시사한다.
• 어느 위치에서든 평균 체적 반경과 총 농도 농도라는 두 가지 측정된 매개변수만으로 보편적인 에어로졸 스펙트럼을 계산할 수 있다.
• 유도된 에어로졸 스펙트럼은 지구-대기 기후 모델에서 복사 균형 계산 향상에 직접 적용 가능하다.