성층권 극소용돌이(Polar Vortex) 채프먼 광화학 사이클 & 1,000Hz 0-Alloc C# 오존홀 DIAL 라이다 서보 제어기

using System;
using System.Runtime.CompilerServices;
using System.Runtime.InteropServices;

namespace ZeliDesk.Defense.AtmosphericPhysics
{
    /// <summary>
    /// DIAL 라이다 308nm/355nm 듀얼 파장 광자 계수 수신 프레임
    /// </summary>
    [StructLayout(LayoutKind.Sequential, Pack = 8)]
    public readonly struct DialLidarSensorFrame
    {
        public readonly double TimestampSeconds;
        public readonly double AltitudeKm;             // 관측 고도 (예: 22.5km)
        public readonly double PhotonCount308nm;       // 308nm 흡수 파장 광자수
        public readonly double PhotonCount355nm;       // 355nm 기준 파장 광자수
        public readonly double StratosphereTempKelvin; // 성층권 온도 (K)

        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
        public DialLidarSensorFrame(double timestamp, double alt, double c308, double c355, double temp)
        {
            TimestampSeconds = timestamp;
            AltitudeKm = alt;
            PhotonCount308nm = c308;
            PhotonCount355nm = c355;
            StratosphereTempKelvin = temp;
        }
    }

    /// <summary>
    /// 오존 농도 및 극소용돌이 위험 경보 출력 프레임
    /// </summary>
    [StructLayout(LayoutKind.Sequential, Pack = 8)]
    public readonly struct OzoneMonitoringOutput
    {
        public readonly double OzoneNumberDensityPerM3; // 오존 수밀도 (molecules/m^3)
        public readonly double ColumnOzoneDobsonUnits;   // 총 오존량 (DU)
        public readonly double UvIndexForecast;          // 지상 자외선 지수 (UV Index)
        public readonly bool IsOzoneHoleSevere;          // 오존홀 경보 플래그 (DU < 220)

        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
        public OzoneMonitoringOutput(double density, double du, double uv, bool isSevere)
        {
            OzoneNumberDensityPerM3 = density;
            ColumnOzoneDobsonUnits = du;
            UvIndexForecast = uv;
            IsOzoneHoleSevere = isSevere;
        }
    }

    /// <summary>
    /// 1,000Hz 0-Alloc C# DIAL 라이다 오존 농도 역산 및 극소용돌이 서보 엔진
    /// </summary>
    public ref struct StratosphericOzoneDialServoEngine
    {
        private const double DeltaOzoneCrossSection = 1.15e-23; // m^2 (308nm와 355nm 단면적 차)
        private const double StandardDobsonScale = 2.6867e20;   // 1 DU = 2.6867e20 molecules/m^2

        private double _accumulatedColumnOzone;
        private double _lastRatio;
        private double _lastAltitudeKm;
        private double _lastTimestamp;
        private bool _isInitialized;

        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
        public void Initialize()
        {
            _accumulatedColumnOzone = 280.0 * StandardDobsonScale; // 평상시 280 DU 기준
            _lastRatio = 1.0;
            _lastAltitudeKm = 20.0;
            _lastTimestamp = 0.0;
            _isInitialized = true;
        }

        /// <summary>
        /// 1,000Hz(1ms 주기) DIAL 라이다 광자 계수 기반 오존 수밀도 산출 틱
        /// </summary>
        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
        public OzoneMonitoringOutput ProcessTick(in DialLidarSensorFrame frame)
        {
            if (!_isInitialized)
            {
                Initialize();
            }

            double dt = frame.TimestampSeconds - _lastTimestamp;
            if (dt <= 0.0 || dt > 0.01) dt = 0.001; // 1ms 기본 주기
            _lastTimestamp = frame.TimestampSeconds;

            double dz = (frame.AltitudeKm - _lastAltitudeKm) * 1000.0; // m
            if (Math.Abs(dz) < 10.0) dz = 50.0; // 최소 고도 간격 보정
            _lastAltitudeKm = frame.AltitudeKm;

            // 1. 308nm/355nm 신호 비율 산출: R = P(355) / P(308)
            double ratio = Math.Max(frame.PhotonCount355nm, 1.0) / Math.Max(frame.PhotonCount308nm, 1.0);
            double lnRatio = Math.Log(ratio);
            double lastLnRatio = Math.Log(Math.Max(_lastRatio, 1e-4));
            _lastRatio = ratio;

            // 2. DIAL 차동 미분 산출: d(ln R) / dz
            double dLnRatio_dz = (lnRatio - lastLnRatio) / dz;

            // 오존 수밀도 역산: n_O3 = (1 / (2 * DeltaSigma)) * (d(ln R)/dz)
            double ozoneNumberDensity = (1.0 / (2.0 * DeltaOzoneCrossSection)) * Math.Abs(dLnRatio_dz);
            ozoneNumberDensity = Math.Clamp(ozoneNumberDensity, 1e17, 8e18);

            // 3. 연직 오존 돕슨 단위(DU) 적분 업데이트
            double deltaColumn = ozoneNumberDensity * Math.Abs(dz);
            _accumulatedColumnOzone = 0.995 * _accumulatedColumnOzone + 0.005 * (deltaColumn * 20.0); // 20km 두께 근사
            double currentDobsonUnits = _accumulatedColumnOzone / StandardDobsonScale;
            currentDobsonUnits = Math.Clamp(currentDobsonUnits, 100.0, 450.0);

            // 4. 지상 자외선 지수(UV Index) 예측 (오존량 감소 시 반비례 증가)
            double uvIndex = 12.5 * Math.Exp(-(currentDobsonUnits - 150.0) / 120.0);
            uvIndex = Math.Clamp(uvIndex, 1.0, 16.0);

            // 5. 오존홀 심각 경보 판정 (총 오존량 220 DU 미만 및 PSC 온도 < 195K)
            bool isSevere = (currentDobsonUnits < 220.0) || (frame.StratosphereTempKelvin < 195.0);

            return new OzoneMonitoringOutput(
                density: ozoneNumberDensity,
                du: currentDobsonUnits,
                uv: uvIndex,
                isSevere: isSevere
            );
        }
    }
}