Метод подобия в описании температурной структуры и переноса неравновесного излучения молекул в верхних атмосферах планет
Диссертация
Уже существует попытка создать теорию структуры и спектра нижних слоев атмосфер внесолнечных планет-гигантов. В настоящей работе предпринята первая попытка построить общую теорию температурной структуры верхних слоев планетной атмосферы — термосферы. Также впервые исследованы общие закономерности поведения неравновесных населенностей колебательных состояний молекул в верхней атмосфере. Главной… Читать ещё >
Содержание
- Глава 1. Полуэмпирическая модель среднеглобальной температурной структуры термосферы Земли
- 1. 1. Баланс энергии в термосфере
- 1. 2. Безразмерное уравнение баланса энергии
- 1. 3. Определение безразмерных функций и параметров
- 1. 4. Результаты моделирования и их обсуждение
- 1. 5. Оценки точности модели
- 1. 6. Основные результаты
- Глава 2. Общая модель подобия для среднеглобальной температурной структуры планетной термосферы
- 2. 1. Формулировка модели
- 2. 2. Эмпирические профили температуры термосфер Земли и Марса
- 2. 2. 1. Земля
- 2. 2. 2. Марс
- 2. 2. 3. Представление профилей температуры для разных единиц измерения высоты и температуры
- 2. 3. Определение значений параметров энергетического баланса термосферы
- Приложение к термосферам Земли и Марса
- 2. 4. Сравнение с прямыми расчетами скоростей нагревания и охлаждения атмосферы
- 2. 5. Оценка отношения смеси атомного кислорода в термосфере Марса
- 2. 6. Основные результаты
- Глава 3. Стандартная задача переноса неравновесного излучения молекул в колебательно-вращательной полосе в планетной атмосфере
- 3. 1. Формулировка стандартной задачи
- 3. 1. 1. Выбор модели полосы и атмосферы и его обоснование
- 3. 1. 2. Параметры подобия и безразмерная высота
- 3. 1. 3. Уравнение для функции источников
- 3. 2. Диапазоны изменения параметров подобия
- 3. 3. Результаты решения уравнения для функции источников
- 3. 3. 1. Особенности зависимости S (y) от безразмерных параметров
- 3. 3. 2. Аппроксимационные формулы
- 3. 4. Эффект малого дополнительного радиационного источника
- 3. 5. Основные результаты
- 3. 1. Формулировка стандартной задачи
Список литературы
- Бибермап J1.M. К теории диффузии резонансного излучения // Жури, эксперим. и теорет. физики 1947. Т. 17. Вып. 5. С. 416−426.
- Брасье Г., Соломон С. Аэрономия средней атмосферы. Химия и физика стратосферы и мезосферы. JL: Гидрометеоиздат, 1987, 414 е.]
- Герцберг Г. Электронные спектры и строение многоатомных молекул. М.: «Мир», 1969, 772 с.
- Голицын Г. С. Введение в динамику планетных атмосфер. Л.: Гидрометеоиздат, 1973. 104 с.
- Гордиец Б.Ф., Марков М. Н., Шелепин JI.A. Теория ИК излучения околоземного космического пространства // Труды физического института АН СССР. М.: «Наука», 1978. Т. 105. С. 7−71.
- Елецкий A.B., Палкипа Л. А., Смирнов Б. М. Явления переноса в слабоионизо-вапной плазме. М.: Атомиздаг, 1975, 334 с.
- Зуев А.П., Лосев С. А., Осипов А. И., Старик A.M. Колебательно-поступательный обмен энергией при столкновениях трехатомных молекул // Хим. физика. 1992. Т. 11. № 1. С. 4−34.
- Иванов В.В. Перенос излучения и спектры небесных тел. М.: «Наука'ТРФМЛ, 1969, 472 с.
- Ксанфомалити Л.В. Внесолнечные планетные системы // Астрон. вестн. 2000. Т. 34. № 6. С. 529−544.
- Михалас Д. Звёздные атмосферы. Т. 1. М.: «Мир», 1982. 352 с. (Переводе английского: Mihalas D. Stellar atmospheres. Second edition. San Francisco: W.H. Freeman and Co., 1978.)
- Нагирнер Д.И. Лекции по теории переноса излучения. СПб.: «Изд-во С.-Петерб. ун-та», 2001. 284 с.
- Огибалов В.П., Кутепов А. А. Перенос излучения в полосе С02 А 4.3 мкм в атмосферах Венеры и Марса при нарушении колебательного и вращательного ЛТР // Кинемат. и физика небесн. тел. 1989. Т. 5. № 4. С. 27−37.
- Пенпер С.С. Количественная молекулярная спектроскопия и излучательная способность газов. М.: ИИЛ, 1963, 494 е.]
- Соболев В.В. Рассеяние света в атмосферах планет. М.: «Наука'ТРФМЛ, 1972, 336 с.
- Хъюбер К.-Л., Герцберг Г. Константы двухатомных молекул. М.: «Мир», 1984, 408 с.
- Швед Г. М. Перенос излучения в колебательно-вращательных полосах линейных молекул при нарушении локального термодинамического равновесия // Астрон. журн. 1974. Т. 51. С. 841−851.
- Akmaev R.A., Fomichev V.I. Cooling of the mesosphere and lower thermosphere due to doubling of C02 // Ann. Geophys. 1998. V. 16. P. 1501−1512.
- Appleby J.F. CH4 nonlocal thermodynamic equilibrium in the atmospheres of the giant planets // Icarus. 1990. V. 85. P. 355−379.
- Banks P.M., Kockarts G. Aeronomy. Part B. New York: Academic Press, Inc., 1973. 355 p.
- Beig G. The relative importance of solar activity and anthropogenic influences 011 the ion composition, temperature, and associated neutrals of the middle atmosphere // J. Geophys. Res. 2000. V. 105D. P. 19 841−19 856.
- Dougher S.W., Dickinson R.E. Mars mcsosphere and thermosphere. 1. Global mean heat budget and thermal structure // J. Geophys. Res. 1988, V. 93, P. 7325−7337.
- Dougher S.W., Engel S., Roble R.G., Foster D. Comparative terrestrial planet thermospheres. 2. Solar cycle variation of global structure and winds at equinox // J. Geophys. Res. 1999. v. 104E. P. 16 591−16 611.
- Dougher S.W., Engel S., Roble R.G., Foster D. Comparative terrestrial planet thermospheres. 3. Solar cycle variation of global structure and winds at solstices //J. Geophys. Res. 2000. V. 105E. P. 17 669−17 692.
- Dougher S.W., Hunten D.M., Roble R.G. CO2 cooling in terrestrial planet thermospheres // J. Geophys. Res. 1994. V. 99. No. E7, 14 609−14 622.
- Dougher S.W., Roble R.G. Comparative terrestrial planet thermospheres. 1. Solar cycle variation of global mean temperatures //J. Geophys. Res. 1991. V. 96A. P. 11 045−11 055.
- Dougher S. W., Roble R.G., Fuller-Rowell T. Simulations and the upper atmospheres of the terrestrial planets. In: Atmospheres in the Solar System: Comparative Aeronomy (M. Mendillo, A. Nagy, J.H. Waite, Eds). Geophysical Monograph 130, 2002, P. 261 288.
- Durrows A., Marley M., Hubbard W.B., Lunine J.I., Guillot T., Saumon D., Freedman R., Sudarsky D., Sharp C. A nongrey theory of extrasolar giant planets and brown dwarfs 11 Astrophys. J. 1997. V. 491. Pt. 1. P. 856−875.
- Chamberlain J. W., Hunten D.M. Theory of planetary atmospheres. An introduction to their physics and chemistry. Second edition. Orlando, Florida: Academic Press, Inc., 1987. 481 p.
- Encrenaz T. The planet Jupiter // Astron. and Astrophys. Rev. 1999. V. 9. P. 171−219.
- Filippov N.N., Tonkov M.V. Line mixing in the infrared spectra of simple gases at moderate and high densities // Spectrochimica Acta, Part A. 1996. V. 52. P. 901−918.
- Finn G.D., Jeffries J.T. Studies in spectral line formation //J. Quant. Spectrosc. and Radiat. Transfer. 1968. V. 8. P.1675−1703.
- Fomichev V.I., Shved G.M. On the closeness of the middle atmosphere to the state of radiative equilibrium: an estimation of net dynamical heating //J. Atmos. Terr. Phys. 1994. V. 56. P. 479−485.
- Forbes J.M., Garret H.B. Theoretical studies of atmospheric tides // Rev. Geophys. Space Phys. 1979. V. 17. P. 1951−1981.
- Funke D., Lopez-Puertas M. Nonlocal thermodynamic equilibrium vibrational, rotational, and spin state distribution of NO (v = 0, 1, 2) under quiescent atmospheric conditions // J. Geophys. Res. (D). 2000. V. 105. P. 4409−4426.
- Gavrilov N.M., Roble R.G. The effect of gravity waves on the global mean temperature and composition structure of the upper atmosphere //J. Geophys. Res. 1994. V. 99D. P. 25 773−25 780.
- Goody R.M., Yung Y.L. Atmospheric radiation. Theotetical basis, 2nd edition. New York, Oxford: Oxford University Press, 1989, 519 p.
- Groves G. V., Forbes J.M. Mean zonal and meridional accelerations and mean heating induced by solar tides for equinox and solstice conditions // Planet. Space Sci. 1985. V. 33. P. 283−293.
- Hagan M.E., Roble R.G., Hackney J. Migrating thermospheric tides // J. Geophys. Res. 2001. V. 106A. P. 12 739−12 752.
- Hedin A.E. Extension of the MSIS thermosphere model into the middle and lower atmosphere // J. Geopys. Res. 1991. V. 96A. P. 1159−1172.
- Henry R.J.W., McElroy M.B. Photoelectrons in planetary atmospheres. In: The Atmospheres of Venus and Mars (J.C. Brant, M.B. McElroy, Eds). Gordon and Breach Sci. Publishers Inc., New York., 1968. 288 p.
- Hilsenrath J. et al Tables of thermal properties of gases. Washington, D.C.: Nat. Bur. Stand., 1955. 488 p.
- Hummer D.G., Kutepov A.A. Algorithms for rapid evaluation of band transfer functions for linear molecules //J. Quant. Spectrosc. and Radiat. Transfer. 1994. V. 51. P. 729−739.
- Ishov A.G., Shved G.M. Universal functions for estimating total vibration-rotation band absorptance III. Asymmetric tops //J. Quant. Spectrosc. and Radiat. Transfer. 1988. V.39. P. 399−407.
- Izakov M.N., Roste O.Z. Variations of the Martian upper atmosphere structure // Cosmic Res. 1996, V. 34, P. 267−276.
- Keating G.M., Chen C. Extensions to the CIRA reference models for middle atmosphere ozone // Adv. Space Res. 1993. V. 13. No. 1. P. 45−54.
- Keating G.M. et al. The structure of the atmosphere of Mars: in situ accelerometer measurements from Mars Global Surveyor // Science 1998. V. 279. P. 1672−1676.
- Keating G.M., Tolson R.H., Hanna J.L., Deebe R.F., Murphy J.R., Huber L.F. MGS-M-ACCEL-5-PROFILE-V1.2 // NASA Planetary Data System, 2002.
- Kirwood S. Lower thermosphere mean temperatures, densities, and winds measured by EISCAT: Seasonal and solar cycle effects //J. Geophys. Res. 1996. V. 101 A. P. 5133−5148.
- Kumer J.D., James T.C. Non-LTE calculation of HC1 earthlimb emission and implication for detection of HC1 in the atmosphere // Geophys. Res. Lett. 1982. V. 9. P. 860−862.
- Kutepov A.A., Hummer D.G., Moore C.D. Rotational relaxation of the 00°1 level of CO2 including radiative transfer in the 4.3-/im band of planetary atmospheres //J. Quant. Spectrosc. and Radiat. Transfer. 1985. V. 34. P. 101−114.
- Kutepov A.A., Oelhaf H., Fischer H. Non-LTE radiative transfer in the 4.7 and 2.3 fim bands of CO: vibration-rotational non-LTE and its effects on limb radiance // J. Quant. Spectrosc. and Radiat. Transfer. 1997. V. 57. P. 317−339.
- Llewellyn E.J., McDade I.C. A reference model for atomic oxygen in the terrestrial atmosphere // Adv. Space Res. 1996. V. 18. No. 9/10. P. 209−226.
- Lopez-Puertas M., Taylor F.W. Non-LTE radiative transfer in the atmosphere. Singapore: World Scientific Publishers, 2001.
- Lopez-Puertas M., Zaragoza G., Kerridge D.J., Taylor F.M. Non-local thermodynamic equilibrium model for H20 6.3 and 2.7-//m bands in the middle atmosphere //J. Geophys. Res. (D). 1995. V.100. P. 9131−9147.
- Magalhaes J.A., Schofield J.T., Seiff A. Results of the Mars Pathfinder atmospheric structure investigation // J. Geophys. Res. 1999. V. 104. P. 8943−8955.
- Manuilova R.O., Gusev O.A., Kutepov A.A., et al. Modelling of non-LTE limb spectra of i.r. ozone bands for the MIPAS space experiment //J. Quant. Spectrosc. and Radiat. Transfer. 1998. V. 59. P. 405−422.
- Marcy G.W., Butler R.P. The detection of extrasolar giant planets // Annual Rev. Astron. and Astrophys. 1998. V. 36. P. 56−93.
- Martin-Torres F.J., Lopez-Valverde M.A., Lopez-Puertas M. Modelling of the non-LTE populations of the nitric acid and methane vibrational states in the middle atmosphere //J. Atmos. and Solar-Terr. Phys. 1998. V. 60. P. 1631−1647.
- Mlynczak M.G., Solomon S. A detailed evaluation of the heating efficiency in the middle Atmosphere // J. Geophys. Res. 1993. V. 98D. P. 10 517−10 541.
- Mlynczak M.G., Solomon S. Middle atmosphere heating by exothermic chemical reactions involving odd-hydrogen species // Geophys. Res. Lett. 1991. V. 18. P. 37−40.
- Ogibalov V.P., Kutepov A.A., Shved G.M. Non-local thermodynamic equilibrium in CO2 in the middle atmosphere. II. Populations in the viu2 mode manifold states // J. Atmos. and Solar-Terr. Phys. 1998. V. 60. P. 315−329.
- Retallack G.J. A 300-million-year record of atmospheric carbon dioxide from fossil plant cuticles // Nature 2001 V. 411. P. 675−677.
- Rishbeth H., Roble R.G. Cooling of the upper atmosphere by enhanced greenhouse gases s Modelling of thermospheric and ionospheric effects // Planet. Space Sci. 1992. V. 40. P. 1011−1026.
- Roble R.G., Dickinson R.E. How will changes in carbon dioxide and methane modify the mean structure of the mesosphere and thermosphere? // Geophys. Res. Lett. 1989. V. 16. P. 1441−1444.
- Roble R.G., Dickinson R.E. Is there enough solar extreme ultraviolet radiation to maintain the global mean thermospheric temperature? //J. Geophys. Res. 1973. V. 78. P. 249−257.
- Roble R. G. Energetics of the mesosphere and thermosphere // The upper mesosphere and lower thermosphere: A review of experiment and theory / Eds: R.M. Johnson, T.L. Killeen. Geophysical Monograph 87. 1995. P. 1−21.
- Rodrigo R., Lopez- Moreno J.J., Lopez-Puertas M., Moreno F., Molina A. Neutral atmospheric composition between 60 and 220 km: A theoretical model for mid-latitudes // Planet. Space Sci. 1986. V. 34. P. 723−743.
- Roldan C., Lopez- Valverde M.A., Lcpez-Puertas M., Edwards D.P. Non-LTE infrared emissions of CO2 in the atmosphere of Venus // Icarus. 2000. V. 147. P. 11−25.
- Rothman L.S., Hawkins R.L., Wattson R.D., Gamache R.R. Energy levels, intensities, and linewidths of atmospheric carbon dioxide bands // J. Quant. Spectrosc. and Radiat. Transfer. 1992. V. 48. P. 537−566.
- Sanchez-Lavega A. A similarity approach to the atmospheric dynamics of giant extrasolar planet and brown dwarfs // Astron. Astrophys. 2001. V. 377. P. 354−360.
- Seiff A., Kirk D.D. Structure of atmosphere of Mars in Summer at Mid-Latitudes // J. Geophys. Res. 1977. V. 82. P. 4364−4378.
- Sharma R.D., Roble R.G. Impact of the new rate coefficients for the O atom vibrational deactivation and photodissociation of NO on the temperature and density structure of the terrestrial atmosphere // J. Geophys. Res. 2001. V. 106A. P. 2 134 321 350.
- Shippony Z., Read W.G. A highly accurate Voigt function algorithm //J. Quant. Spectrosc. and Radiat. Transfer. 1993. V. 50. P. 635−645.
- Shved G.M., Gusev O.A. Non-local thermodynamic equilibrium in N20, CH4, and HNO3 in the middle atmosphere //J. Atmos. and Solar-Terr. Phys. 1997. V. 59. P. 2167−2176.
- Shved G.M., Ishov A.G., Kutepov A.A. Universal functions for estimating total vibration-rotation band absorptance I. Linear molecules and spherical tops //J. Quant. Spectrosc. and Radiat. Transfer. 1984. V. 31. P. 35−46.
- Shved G.M., Ishov A.G. Universal functions for estimating total vibration-rotation band absorptance II. Symmetric tops //J. Quant. Spectrosc. and Radiat. Transfer. 1984. V. 31. P. 47−55.
- Shved G.M., Kutepov A.A., Ogibalov V.P. Non-local thermodynamic equilibrium in CO2 in the middle atmosphere. I. Input data and populations of the mode manifold states // J. Atmos. and Solar-Terr. Phys. 1998. V. 60. P. 289−314.
- Varanasi P. Infrared line width at planetary atmospheric temperatures //J. Quant. Spectrosc. and Radiat. Transfer. 1988. V. 39. P. 13−25.
- World Meteorological Organization (WMO), Atmospheric Ozone 1985 s Assessment of our understanding of the processes controling its present distribution and change, WMO Rep. 16, Global Ozone Res. Monit. Proj., Geneva, Switzerland, 1986. 1181 p.
- Yelle R.V. Non-LTE models’of Titan’s upper atmosphere // Astrophys. J. 1991. V. 383. P. 380−400.