돕슨 유닛

돕슨 단위(DU)는 지구 대기를 통과하는 수직 기둥의 미량 가스량을 측정하는 단위다. 그것은 주로 대기 오존과 관련하여 주로 사용되며, 대기 오존의 총량은 보통 "전체 오존" 그리고 때로는 "기둥 풍부"이라고 불리며, 성층권 오존층의 고농도 오존에 의해 지배된다.

돕슨 유닛은 온도 및 압력 표준 조건에서 총 컬럼 양으로 형성되는 순수 가스 층의 두께(10μm 단위)로 정의된다.^[1][2] 이를 '밀리어트모 센티미터'라고 부르기도 한다. 따라서 대기 오존 300 DU의 일반적인 칼럼 양은 만약 온도와 압력이 STP에 부합한다면 지구 표면에서 3mm의 순수한 가스층을 형성할 것이다.

돕슨 단위는 1920년대 옥스퍼드대 연구원인 고든 돕슨이 지상에서 총 오존을 측정하기 위해 최초로 계측기를 제작해 오존층에 의한 태양 자외선 방사선의 다른 띠의 차등 흡수량을 측정하기 위해 이중 프리즘 단색기를 사용했다. 돕슨 오존 분광도계라고 불리는 이 기구는 대기^[3] 오존을 감시하기 위한 세계 네트워크의 중추 역할을 해왔으며 1984년 남극 오존 구멍에서 발견된 근원이다.^[4]

SI 단위와의 관계

돕슨 유닛은 국제 유닛 시스템의 일부가 아니다. 이러한 단점을 해결하기 위해 1982년^[5] 간단한 연구는 오존뿐만 아니라 모든 행성 대기 중 기체의 칼럼 양에 적합한 다수의 대체 SI 기반 단위를 조사했고 모든 경우에 대해 제곱미터당 몰 단위를 사용할 것을 제안했다. 1제곱미터당 마이크로 몰 수준에서 지구의 미량 가스부터 1제곱미터당 메가 몰에서 금성의 이산화탄소까지 그 예가 다양하다.

• 1 mmol/m은² 대략 2.241 DU에 해당한다.
• DU 1개는 0.4462mmol/m에² 해당한다.
• 또한 1개의 DU는 제곱미터당 2.687×10개의²⁰ 분자와 동등하다.

지구 대기 중 총 오존의 전형적인 값은 제곱미터당 밀리몰로 편리하게 표현된다(mmol²/m).

국제순응화학연맹(IUPAC)의 일부인 대기화학위원회의 대기화학 사용 단위에 대한 1995년^[6] 이후 조사에서는 SI에 속하지 않고 SI기반의 힘의 산물이 아닌 단위에 대한 특수 이름과 기호의 사용을 금지했다. 1982년 기사를 간과했지만, 돕슨 유닛은 결국 적절한 SI 유닛으로 대체되어야 하며, mmol/m² 유닛이 가장 편리하고 덜 번거로운 옵션이라는 견해에 동의하였다. 그것은 이 부대가 결국 돕슨 부대를 대체할 것이라는 희망을 표현했다. 그러나 2017년 3월 현재, 이러한 현상이 일어났다는 증거는 거의 없다. 예를 들어 돕슨 유닛은 여전히 NASA와^[7] 세계 오존 및 자외선 데이터 센터에서^[8] 총 오존 양을 보고하는 데 사용된다.

오존

NASA는 오존에 220DU의 기준치를 사용한다. 1979년 이전에는 220 도슨 단위 이하의 값이 발견되지 않았기 때문에, 이것은 남극 오존 구멍 관측의 출발점으로 선택되었다. 또한 남극대륙의 직접 측정에서 220 돕슨 단위 미만의 기둥 오존 농도는 염소와 브로민 화합물로 인한 오존 손실의 결과물이다.^[9]

이산화황

또 돕슨 유닛은 화석연료의 연소로 대기 중에 발생하는 아황산가스의 총 열 밀도를 디메틸황화물을 방출하는 생물학적 과정이나 산불 등 자연연소에 의해 적은 양으로 기술하는 경우가 많다. 많은 양의 아황산가스가 화산 폭발에 의해 대기 중으로 방출될 수도 있다. 돕슨 유닛은 자외선 위성 기기(TOMS 등)에서 오존 원격 감지 초기에 나타났기 때문에 아황산가스의 총 컬럼 양을 설명하는 데 사용된다.

파생

돕슨 단위는 이상적인 가스 법칙에서 비롯된다.

${\displaystyle PV=nRT,}$

여기서 P와 V는 각각 압력과 부피, n, R, T는 기체의 몰수, 기체 상수(8.314 J/(몰·K), T는 켈빈(K) 단위의 온도다.

공기의 밀도는 단위 부피당 분자 또는 원자의 수입니다.

${\displaystyle n_{\text{air}={\frac {A_{av}n}{V},}$

그리고 실제 가스 법칙에 플러그를 꽂을 때, 공기의 수 밀도는 압력, 온도 및 실제 가스 상수를 사용하여 발견된다.

${\displaystyle n_{\text{air}={\frac {A_{av}P}{{p}}{{p}}{RT}}.}$

표준 온도와 압력(T = 273 K 및 P = 101325 Pa)에서 공기의 수 밀도(분자/볼륨)는 이 방정식을 이용하여

${\displaystyle n_{\text{air}={\frac {A_{av}P}{{p}}{{p}}{RT}}={\frac {(6.02\time 10^{23}\,{\frac {\text{mol}}}}}\cdot(101325~{\text{Pa})}{8.314{\frac {\text}{\text}{\text}{\text}{\text{\text}{\text}{\cext}{{}{}{}{}{}{\cdext}}{}}}}{}{}{{}}}J}}{\text{mol K}}\cdot 273~{\text{K}}}}$

pascal 입방 미터로 줄의 일부 단위 변환과 함께 분자/볼륨에 대한 방정식은 다음과 같다.

${\displaystyle {\frac {(6.02\times 10^{23}~{\frac {\text{molecules}}{\text{mol}}})\cdot (101325~{\text{Pa}})}{8.314~{\frac {{\text{Pa}}\,{\text{m}}^{3}}{\text{mol K}}}\cdot 273~{\text{K}}}}=2.69\times 10^{25}~{\text{molecules}}\cdot {\text{m}}^{-3}.}$

돕슨 단위는 단위 면적당 미량 가스의 총량이다. 대기 과학에서 이것을 기둥 밀도라고 한다. 하지만 어떻게 우리는 입방 미터 당 분자 단위, 한 부피에서 1평방 센티미터 당 분자 단위, 한 구역으로 갈 수 있을까? 이것은 통합에 의해 이루어져야 한다. 기둥 밀도를 얻기 위해서는 전체 기둥을 높이에 걸쳐 통합해야 한다. 돕슨 유닛의 정의에 따르면 표준 온도와 압력에서 해수면으로 압축했을 때 1 DU = 0.01 mm의 미량 가스를 볼 수 있다. 따라서 0 ~ 0.01 mm의 공기 밀도를 통합하면 1 DU에 해당하는 숫자 밀도를 찾을 수 있다.

${\displaystyle \int _{0~{\text{mm}}}^{0.01~{\text{mm}}}(2.69\times 10^{25}~{\text{molecules}}\cdot {\text{m}}^{-3})\,\mathrm {d} x=2.69\times 10^{25}~{\text{molecules}}\cdot {\text{m}}^{-3}\cdot 0.01~{\text{mm}}-2.69\times 10^{25}~{\text{molecules}}\cdot {\text{m}}^{-3}\cdot 0~{\text{mm}}}$

${\displaystyle {}=2.69\cdm{25}~{\text{data}}\cdot 10^{-3}\cdot 10^{-5}~{\text{m}}=2.69\cdot{20}~{\text}\cdot{\\cdext}{m}^{-2}}.}$

그래서 우리는 1DU의 값을 구하는데, 1DU는 제곱 미터당 2.69×10²⁰ 분자 입니다.

참조