ドブソンユニット

ドブソン単位(DU) は、地球の大気中の垂直柱に含まれる微量ガスの量を測定する単位です。この単位は、大気オゾンの研究に由来し、現在でも主にこの分野で使用されています。オゾンの全柱量 (通常「オゾン総量」または「柱存在量」と呼ばれます) は、成層圏 オゾン層内の高濃度オゾンによって左右されます。

ドブソン単位は、標準温度および圧力条件(STP)での全柱量によって形成される純ガス層の厚さ (10 μm 単位) として定義されます。 ^{[1] [2]}これは「ミリアトモセンチメートル」と呼ばれることもあります。したがって、大気中のオゾンの典型的な柱量 300 DU は、温度と圧力が標準温度に準拠している場合、地球の表面に 3 mm の純ガス層を形成します。

ドブソンユニットは、オックスフォード大学の研究者ゴードン・ドブソンにちなんで名付けられました。ドブソンは1920年代に地上からオゾン総量を測定する最初の機器を製作しました。この機器は、二重プリズムモノクロメータを使用して、オゾン層による太陽紫外線の異なる帯域の吸収差を測定しました。ドブソンオゾン分光光度計と呼ばれるこの機器は、大気オゾンを監視するための世界的なネットワークのバックボーンを形成しており、 ^{[3] 1984年の}南極オゾンホールの発見の源でもありました。^[4]

NASAはオゾンの基準値を220 DUとしている。これは南極オゾンホール観測の開始点として選ばれた。1979年以前には220ドブソン単位未満の値は見られなかったためである。また、南極上空の直接測定によると、220ドブソン単位未満のオゾン柱レベルは塩素と臭素化合物によるオゾン損失の結果である。^[5]

さらに、ドブソン単位は、化石燃料の燃焼、ジメチルスルフィドを放出する生物学的プロセス、または森林火災などの自然燃焼によって大気中に少量発生する二酸化硫黄の全柱密度を表すためによく使用されます。火山の噴火によって大量の二酸化硫黄が大気中に放出されることもあります。ドブソン単位は、紫外線衛星機器（ TOMSなど）によるオゾンリモートセンシングの初期に登場したため、二酸化硫黄の全柱量を表すために使用されます。

ドブソン単位は理想気体の法則から生まれた

${\displaystyle PV=nRT,}$

ここで、PとVはそれぞれ圧力と体積、n、R、Tはガスのモル数、気体定数（8.314 J/(mol·K)）、Tはケルビン（K）単位の温度です。

空気の密度は単位体積あたりの分子または原子の数です。

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

これを実在気体の法則に当てはめると、圧力、温度、実在気体定数を使用して空気の 数密度が求められます。

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

標準温度および標準圧力（ T = 273 K、P = 101325 Pa）における空気の密度（分子/体積）は、この式を使用すると、

${\displaystyle n_{\text{空気}}={\frac {A_{av}P}{RT}}={\frac {(6.02\times 10^{23}\,{\frac {\text{分子}}{\text{モル}}})\cdot (101325~{\text{Pa}})}{8.314{\frac {\text{J}}{\text{モル・K}}}\cdot 273~{\text{K}}}}.}$

ジュールからパスカル立方メートルへの単位変換により、分子/体積の式は次のようになる。

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

ドブソン単位は、単位面積あたりの微量ガスの総量です。大気科学では、これを柱密度と呼びます。では、立方メートル (体積) あたりの分子の単位を、平方センチメートル (面積)あたりの分子の単位に変換するにはどうすればよいでしょうか。これは積分によって行う必要があります。柱密度を得るには、高さにわたって柱全体を積分します。ドブソン単位の定義によると、標準温度および圧力で海面まで圧縮した場合、1 DU = 0.01 mm の微量ガスになります。したがって、空気の密度を 0 から 0.01 mm まで積分すると、1 DU に等しくなります。

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

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

したがって、1DUの値は2.69 × 101平方メートルあたり ^20分子。