本書從輻射基本理論出發(fā)，系統(tǒng)地介紹了非平衡輻射模型，非平衡輻射傳輸問題求解方法及其在行星大氣中的應用。第1章介紹了地球大氣基本熱力學結構，主要紅外輻射分子，以及非平衡輻射的基本概念等。第2章討論了中高層大氣條件下紅外輻射涉及的大氣分子能級及躍遷。第3章介紹了輻射傳輸?shù)幕A知識。第4章和第5章分別是局地熱平衡和非平衡條件下的輻射問題求解方法。第6章求解了CO2的非平衡輻射問題。第7章求解了大氣研究中其他組分的非平衡輻射問題。第8章是非平衡輻射模型在大氣遙感中的應用。第9章為非平衡輻射模型在大氣加熱及冷卻中的應用。第10章簡要介紹了其他行星大氣中的非平衡輻射現(xiàn)象以及非平衡輻射模型的應用。
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中國科學院杰出科技成就獎（突出貢獻者），2021年。
目錄
第1章 緒論與概述 1
1.1 概述 1
1.2 地球大氣層的基本性質(zhì) 2
1.2.1 熱結構 2
1.2.2 組分 6
1.2.3 能量平衡 9
1.3 什么是局地熱力學平衡？ 11
1.4 局地熱力學非平衡的情形 12
1.5 非平衡的重要性 14
1.6 一些歷史背景 15
1.7 非平衡模型 16
1.8 非平衡實驗研究 18
1.9 行星大氣中的非平衡問題 18
1.10 參考文獻和拓展閱讀 19
第2章 分子光譜 21
2.1 引言 21
2.2 雙原子分子的能級 21
2.2.1 Born-Oppenheimer近似 22
2.2.2 雙原子分子的轉(zhuǎn)動 22
2.2.3 雙原子分子的振動 25
2.2.4 Born-Oppenheimer近似的失效 28
2.3 多原子分子的能級 29
2.3.1 一般情況 29
2.3.2 多原子分子的轉(zhuǎn)動 30
2.3.3 多原子分子的振動 32
2.4 躍遷和光譜帶 34
2.4.1 振動-轉(zhuǎn)動譜帶 34
2.4.2 熱譜帶 35
2.4.3 泛頻帶 36
2.4.4 同位素譜帶 37
2.4.5 組合譜帶 37
2.5 單個振動 -轉(zhuǎn)動譜線的性質(zhì) 38
2.5.1 譜線強度 39
2.5.2 譜線寬度和線形 41
2.6 能級間的相互作用 44
2.6.1 Fermi共振 44
2.6.2 Coriolis相互作用 44
2.6.3 振動-振動躍遷 45
2.7 參考文獻和拓展閱讀 45
第3章 大氣輻射傳輸基礎 47
3.1 引言 47
3.2 輻射的性質(zhì) 47
3.3 輻射傳輸方程 49
3.4 輻射傳輸方程的通解 51
3.5 熱力學平衡和局地熱力學平衡 53
3.6 非平衡中的源函數(shù) 55
3.6.1 二能級方法 56
3.6.2 愛因斯坦關系 57
3.6.3 輻射過程 59
3.6.4 熱碰撞過程：統(tǒng)計平衡方程 63
3.6.5 非熱過程 65
3.6.6 多能級情況 69
3.7 非平衡態(tài)情況 71
3.7.1 非平衡的經(jīng)典案例 71
3.7.2 非經(jīng)典的非平衡情況 73
3.8 參考文獻和拓展閱讀 69
第4章 平衡態(tài)輻射傳輸方程的求解 75
4.1 引言 75
4.2 輻射傳輸方程在高度上的積分 75
4.2.1 平行平面的輻射傳輸方程 75
4.2.2 太陽輻射 78
4.2.3 大氣球形特征 79
4.2.4 輻射平衡下的溫度分布 81
4.2.5 加熱率和冷卻率 86
4.2.6 “空間冷卻”近似 89
4.2.7 不透明近似 90
4.3 輻射傳輸方程的頻率積分 91
4.3.1 逐線積分法 92
4.3.2 光譜帶模式 94
4.3.3 獨立線和單線模式 94
4.3.4 譜線重疊的帶模式 96
4.3.5 常規(guī)模式或 Elsasser模式 96
4.3.6 隨機帶模式 97
4.3.7 經(jīng)驗模式 101
4.3.8 “指數(shù)求和”法 101
4.3.9 非均勻輻射路徑 102
4.4 輻射傳輸方程在空間角上的積分 102
4.5 參考文獻和拓展閱讀 104
第5章 非平衡輻射傳輸方程的求解 106
5.1 引言 106
5.2 非平衡條件下輻射傳輸?shù)暮唵谓?106
5.2.1 弱輻射場 106
5.2.2 強外部輻射源 112
5.2.3 非熱碰撞和化學過程 115
5.3 非平衡輻射傳輸方程的完整解 117
5.4 非平衡輻射傳輸方程的積分 117
5.4.1 頻率積分與空間角積分 118
5.4.2 高度積分 118
5.4.3 具體的非平衡算法 119
5.5 非平衡態(tài)算法的比較 122
5.6 非平衡冷卻率的參數(shù)化 122
5.7 柯蒂斯矩陣法 123
5.8 參考文獻和拓展閱讀 129
第6章 地球大氣的非平衡模型I：CO2 131
6.1 引言 131
6.2 有用的近似 133
6.2.1 誘導發(fā)射 133
6.2.2 轉(zhuǎn)動平衡 134
6.2.3 共振能級 134
6.2.4 譜線重疊 134
6.3 二氧化碳（CO2） 135
6.3.1 采用參考大氣 136
6.3.2 邊界層 138
6.3.3 輻射過程 138
6.3.4 碰撞過程 141
6.3.5 多能級系統(tǒng)的解 145
6.3.6 非平衡布居數(shù) 147
6.4 參考文獻和拓展閱讀 161
第7章 地球大氣的非平衡模型Ⅱ：其他紅外輻射分子 163
7.1引言 163
7.2一氧化碳（CO） 163
7.2.1輻射過程 164
7.2.2碰撞過程 165
7.2.3非平衡布居數(shù) 166
7.2.4 CO(1)布居數(shù)的不確定性 168
7.3臭氧（O3） 169
7.3.1非平衡模型 170
7.3.2化合反應 172
7.3.3碰撞弛豫 175
7.3.4其他激發(fā)過程 177
7.3.5系統(tǒng)求解 177
7.3.6 非平衡布居數(shù) 178
7.4 水蒸氣（H2O） 181
7.4.1 輻射過程 182
7.4.2 碰撞過程 183
7.4.3 非平衡布居數(shù) 186
7.4.4 H2O布居數(shù)的不確定性 189
7.5 甲烷（CH4） 191
7.5.1 輻射過程 193
7.5.2 碰撞過程 193
7.5.3 非平衡布居數(shù) 194
7.5.4 CH4布居數(shù)的不確定性 196
7.6 一氧化氮（NO） 196
7.6.1 輻射過程 196
7.6.2 轉(zhuǎn)動態(tài)和自旋態(tài)的碰撞弛豫 197
7.6.3 振動-平動碰撞和化學生成 197
7.6.4 非平衡布居數(shù) 199
7.7 二氧化氮（NO2） 202
7.7.1 激發(fā)和弛豫過程 204
7.7.2 非平衡布居數(shù) 205
7.7.3 NO2布居數(shù)的不確定性 207
7.8 一氧化二氮（N2O） 208
7.8.1 碰撞過程 210
7.8.2 非平衡布居數(shù) 210
7.8.3 N2O布居數(shù)的不確定性 212
7.9 硝酸（HNO3） 212
7.10羥基（OH） 215
7.11分子氧O2大氣紅外譜帶 217
7.12 氯化氫（HCl）、氟化氫（HF） 217
7.13 NO+ 218
7.14 原子氧O(3P)的63μm帶 219
7.15 參考文獻和拓展閱讀 220
第8章 非平衡大氣遙感 223
8.1 引言 223
8.2 輻射測量分析 225
8.2.1 臨邊觀測 225
8.2.2 光學薄條件下的臨邊輻亮度 227
8.2.3 探測實驗小結 228
8.3 CO2輻射探測 232
8.3.1 CO2 15μm輻射探測 232
8.3.2 CO2 10μm輻射探測 236
8.3.3 CO2 4.3μm輻射探空火箭探測 238
8.3.4 CO2 4.3μm輻射的雨云 7號衛(wèi)星（Nimbus 7）SAMS探測241
8.3.5 CO2 4.3μm輻射的高層大氣研究衛(wèi)星（UARS）ISAMS探測 245
8.4 O3輻射的探測 249
8.5 H2O輻射的探測 252
8.6 CO輻射的探測 255
8.7 NO輻射的探測 258
8.8其他紅外輻射的探測 261
8.9 轉(zhuǎn)動非平衡 262
8.10 輻射吸收探測 264
8.10.1 ATMOS實驗 265
8.10.2 CO2υ2振動溫度 265
8.10.3 CO2豐度 267
8.11高分辨率臨邊輻射光譜模擬 269
8.12 高分辨率天底發(fā)射光譜模擬 277
8.13 非平衡反演算法 279
8.14 參考文獻和拓展閱讀 281
第9章 冷卻與加熱率 284
9.1 引言 284
9.2 CO215μm冷卻 285
9.2.1 冷卻率剖面 288
9.2.2 全球分布 292
9.3 O39.6μm冷卻 293
9.4 水蒸氣6.3μm冷卻 296
9.5 NO5.3μm冷卻 297
9.6 O(3P)63μm冷卻 299
9.7 冷卻率總結 301
9.8 CO2太陽加熱 301
9.8.1 O(1D)轉(zhuǎn)化為熱能 306
9.8.2 加熱率的不確定性 307
9.8.3 全球分布 309
9.9 參考文獻和拓展閱讀 311
第10章 行星大氣中的非平衡 313
10.1 引言 313
10.2 類地行星：火星和金星 314
10.3 火星和金星大氣層的非平衡模型 315
10.3.1 輻射過程 316
10.3.2 碰撞過程 316
10.4 火星 321
10.4.1 參考大氣 321
10.4.2 CO2和CO的夜間布居數(shù) 322
10.4.3 白天布居數(shù) 325
10.4.4 CO2布居數(shù)的變化和不確定性 329
10.4.5 冷卻率 331
10.4.6 冷卻率的變化和不確定性 332
10.4.7 加熱率 334
10.4.8 加熱率的變化和不確定性 337
10.4.9 輻射平衡溫度 338
10.5 金星 339
10.5.1 參考大氣 342
10.5.2 夜間CO2布居數(shù) 343
10.5.3 白天CO2布居數(shù) 344
10.5.4 冷卻率 346
10.5.5 加熱率 347
10.5.6 輻射平衡溫度 348
10.5.7 變化性和不確定性 349
10.6 外行星 351
10.7 土衛(wèi)六 354
10.8 彗星 357
10.9 參考文獻和拓展閱讀 359
附錄A 符號、縮寫和首字母縮寫詞列表 362
A.1 符號列表 362
A.2 縮寫和首字母縮寫詞列表 365
A.3 化學種類表 367附錄 B物理常量與有用的數(shù)值 369
B.1 一般和通用常量 369
B.2 行星的特征 370
附錄C 專業(yè)術語和單位 373
附錄D 普朗克函數(shù) 375
附錄E 轉(zhuǎn)換因子和公式 377
附錄F CO2紅外波段 379
附錄G O3紅外波段 384
圖片來源 395
參考文獻 397
書單推薦
