本书从辐射基本理论出发，系统地介绍了非平衡辐射模型，非平衡辐射传输问题求解方法及其在行星大气中的应用。第1章介绍了地球大气基本热力学结构，主要红外辐射分子，以及非平衡辐射的基本概念等。第2章讨论了中高层大气条件下红外辐射涉及的大气分子能级及跃迁。第3章介绍了辐射传输的基础知识。第4章和第5章分别是局地热平衡和非平衡条件下的辐射问题求解方法。第6章求解了CO2的非平衡辐射问题。第7章求解了大气研究中其他组分的非平衡辐射问题。第8章是非平衡辐射模型在大气遥感中的应用。第9章为非平衡辐射模型在大气加热及冷却中的应用。第10章简要介绍了其他行星大气中的非平衡辐射现象以及非平衡辐射模型的应用。
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中国科学院杰出科技成就奖（突出贡献者），2021年。
目录
第1章 绪论与概述 1
1.1 概述 1
1.2 地球大气层的基本性质 2
1.2.1 热结构 2
1.2.2 组分 6
1.2.3 能量平衡 9
1.3 什么是局地热力学平衡？ 11
1.4 局地热力学非平衡的情形 12
1.5 非平衡的重要性 14
1.6 一些历史背景 15
1.7 非平衡模型 16
1.8 非平衡实验研究 18
1.9 行星大气中的非平衡问题 18
1.10 参考文献和拓展阅读 19
第2章 分子光谱 21
2.1 引言 21
2.2 双原子分子的能级 21
2.2.1 Born-Oppenheimer近似 22
2.2.2 双原子分子的转动 22
2.2.3 双原子分子的振动 25
2.2.4 Born-Oppenheimer近似的失效 28
2.3 多原子分子的能级 29
2.3.1 一般情况 29
2.3.2 多原子分子的转动 30
2.3.3 多原子分子的振动 32
2.4 跃迁和光谱带 34
2.4.1 振动-转动谱带 34
2.4.2 热谱带 35
2.4.3 泛频带 36
2.4.4 同位素谱带 37
2.4.5 组合谱带 37
2.5 单个振动 -转动谱线的性质 38
2.5.1 谱线强度 39
2.5.2 谱线宽度和线形 41
2.6 能级间的相互作用 44
2.6.1 Fermi共振 44
2.6.2 Coriolis相互作用 44
2.6.3 振动-振动跃迁 45
2.7 参考文献和拓展阅读 45
第3章 大气辐射传输基础 47
3.1 引言 47
3.2 辐射的性质 47
3.3 辐射传输方程 49
3.4 辐射传输方程的通解 51
3.5 热力学平衡和局地热力学平衡 53
3.6 非平衡中的源函数 55
3.6.1 二能级方法 56
3.6.2 爱因斯坦关系 57
3.6.3 辐射过程 59
3.6.4 热碰撞过程：统计平衡方程 63
3.6.5 非热过程 65
3.6.6 多能级情况 69
3.7 非平衡态情况 71
3.7.1 非平衡的经典案例 71
3.7.2 非经典的非平衡情况 73
3.8 参考文献和拓展阅读 69
第4章 平衡态辐射传输方程的求解 75
4.1 引言 75
4.2 辐射传输方程在高度上的积分 75
4.2.1 平行平面的辐射传输方程 75
4.2.2 太阳辐射 78
4.2.3 大气球形特征 79
4.2.4 辐射平衡下的温度分布 81
4.2.5 加热率和冷却率 86
4.2.6 “空间冷却”近似 89
4.2.7 不透明近似 90
4.3 辐射传输方程的频率积分 91
4.3.1 逐线积分法 92
4.3.2 光谱带模式 94
4.3.3 独立线和单线模式 94
4.3.4 谱线重叠的带模式 96
4.3.5 常规模式或 Elsasser模式 96
4.3.6 随机带模式 97
4.3.7 经验模式 101
4.3.8 “指数求和”法 101
4.3.9 非均匀辐射路径 102
4.4 辐射传输方程在空间角上的积分 102
4.5 参考文献和拓展阅读 104
第5章 非平衡辐射传输方程的求解 106
5.1 引言 106
5.2 非平衡条件下辐射传输的简单解 106
5.2.1 弱辐射场 106
5.2.2 强外部辐射源 112
5.2.3 非热碰撞和化学过程 115
5.3 非平衡辐射传输方程的完整解 117
5.4 非平衡辐射传输方程的积分 117
5.4.1 频率积分与空间角积分 118
5.4.2 高度积分 118
5.4.3 具体的非平衡算法 119
5.5 非平衡态算法的比较 122
5.6 非平衡冷却率的参数化 122
5.7 柯蒂斯矩阵法 123
5.8 参考文献和拓展阅读 129
第6章 地球大气的非平衡模型I：CO2 131
6.1 引言 131
6.2 有用的近似 133
6.2.1 诱导发射 133
6.2.2 转动平衡 134
6.2.3 共振能级 134
6.2.4 谱线重叠 134
6.3 二氧化碳（CO2） 135
6.3.1 采用参考大气 136
6.3.2 边界层 138
6.3.3 辐射过程 138
6.3.4 碰撞过程 141
6.3.5 多能级系统的解 145
6.3.6 非平衡布居数 147
6.4 参考文献和拓展阅读 161
第7章 地球大气的非平衡模型Ⅱ：其他红外辐射分子 163
7.1引言 163
7.2一氧化碳（CO） 163
7.2.1辐射过程 164
7.2.2碰撞过程 165
7.2.3非平衡布居数 166
7.2.4 CO(1)布居数的不确定性 168
7.3臭氧（O3） 169
7.3.1非平衡模型 170
7.3.2化合反应 172
7.3.3碰撞弛豫 175
7.3.4其他激发过程 177
7.3.5系统求解 177
7.3.6 非平衡布居数 178
7.4 水蒸气（H2O） 181
7.4.1 辐射过程 182
7.4.2 碰撞过程 183
7.4.3 非平衡布居数 186
7.4.4 H2O布居数的不确定性 189
7.5 甲烷（CH4） 191
7.5.1 辐射过程 193
7.5.2 碰撞过程 193
7.5.3 非平衡布居数 194
7.5.4 CH4布居数的不确定性 196
7.6 一氧化氮（NO） 196
7.6.1 辐射过程 196
7.6.2 转动态和自旋态的碰撞弛豫 197
7.6.3 振动-平动碰撞和化学生成 197
7.6.4 非平衡布居数 199
7.7 二氧化氮（NO2） 202
7.7.1 激发和弛豫过程 204
7.7.2 非平衡布居数 205
7.7.3 NO2布居数的不确定性 207
7.8 一氧化二氮（N2O） 208
7.8.1 碰撞过程 210
7.8.2 非平衡布居数 210
7.8.3 N2O布居数的不确定性 212
7.9 硝酸（HNO3） 212
7.10羟基（OH） 215
7.11分子氧O2大气红外谱带 217
7.12 氯化氢（HCl）、氟化氢（HF） 217
7.13 NO+ 218
7.14 原子氧O(3P)的63μm带 219
7.15 参考文献和拓展阅读 220
第8章 非平衡大气遥感 223
8.1 引言 223
8.2 辐射测量分析 225
8.2.1 临边观测 225
8.2.2 光学薄条件下的临边辐亮度 227
8.2.3 探测实验小结 228
8.3 CO2辐射探测 232
8.3.1 CO2 15μm辐射探测 232
8.3.2 CO2 10μm辐射探测 236
8.3.3 CO2 4.3μm辐射探空火箭探测 238
8.3.4 CO2 4.3μm辐射的雨云 7号卫星（Nimbus 7）SAMS探测241
8.3.5 CO2 4.3μm辐射的高层大气研究卫星（UARS）ISAMS探测 245
8.4 O3辐射的探测 249
8.5 H2O辐射的探测 252
8.6 CO辐射的探测 255
8.7 NO辐射的探测 258
8.8其他红外辐射的探测 261
8.9 转动非平衡 262
8.10 辐射吸收探测 264
8.10.1 ATMOS实验 265
8.10.2 CO2υ2振动温度 265
8.10.3 CO2丰度 267
8.11高分辨率临边辐射光谱模拟 269
8.12 高分辨率天底发射光谱模拟 277
8.13 非平衡反演算法 279
8.14 参考文献和拓展阅读 281
第9章 冷却与加热率 284
9.1 引言 284
9.2 CO215μm冷却 285
9.2.1 冷却率剖面 288
9.2.2 全球分布 292
9.3 O39.6μm冷却 293
9.4 水蒸气6.3μm冷却 296
9.5 NO5.3μm冷却 297
9.6 O(3P)63μm冷却 299
9.7 冷却率总结 301
9.8 CO2太阳加热 301
9.8.1 O(1D)转化为热能 306
9.8.2 加热率的不确定性 307
9.8.3 全球分布 309
9.9 参考文献和拓展阅读 311
第10章 行星大气中的非平衡 313
10.1 引言 313
10.2 类地行星：火星和金星 314
10.3 火星和金星大气层的非平衡模型 315
10.3.1 辐射过程 316
10.3.2 碰撞过程 316
10.4 火星 321
10.4.1 参考大气 321
10.4.2 CO2和CO的夜间布居数 322
10.4.3 白天布居数 325
10.4.4 CO2布居数的变化和不确定性 329
10.4.5 冷却率 331
10.4.6 冷却率的变化和不确定性 332
10.4.7 加热率 334
10.4.8 加热率的变化和不确定性 337
10.4.9 辐射平衡温度 338
10.5 金星 339
10.5.1 参考大气 342
10.5.2 夜间CO2布居数 343
10.5.3 白天CO2布居数 344
10.5.4 冷却率 346
10.5.5 加热率 347
10.5.6 辐射平衡温度 348
10.5.7 变化性和不确定性 349
10.6 外行星 351
10.7 土卫六 354
10.8 彗星 357
10.9 参考文献和拓展阅读 359
附录A 符号、缩写和首字母缩写词列表 362
A.1 符号列表 362
A.2 缩写和首字母缩写词列表 365
A.3 化学种类表 367附录 B物理常量与有用的数值 369
B.1 一般和通用常量 369
B.2 行星的特征 370
附录C 专业术语和单位 373
附录D 普朗克函数 375
附录E 转换因子和公式 377
附录F CO2红外波段 379
附录G O3红外波段 384
图片来源 395
参考文献 397
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