大氣中不存在真正的熱力學平衡態?？諝馕F時刻與周圍環境發生粒子和光子交換、分子間碰撞以及化學反應，從而處于變化中。

大氣科學包含三個主要的分支學科：輻射、化學和動力學。有許多專著分別論述過這三個分支學科，其中非平衡（non-LTE）大多扮演著重要的角色。但是，尚無一本專門描寫非平衡的書籍，這是一個嚴重的缺失。人們已經逐漸意識到，高層大氣及其中復雜而有趣的物理過程，是整個系統的重要組成部分。同樣明確的是，如果不詳細考慮非平衡過程，就無法通過衛星遙感對中高層大氣進行測量，也無法提出有效的計算模型。因此，需要一本基礎書籍來闡述這一現象及其相關過程。

《大氣非平衡輻射學》的目的是描述在行星大氣中發生的各種非平衡過程，并為確定非平衡大氣中的溫度剖面、加熱/冷卻率和向外的輻射場，提供詳細的數學和計算公式。所有這些將通過實例來說明，重點以地球大氣層為例，也將擴展到其他行星的大氣層和彗星。

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大氣非平衡輻射學

Non-LTE Radiative Transfer in the Atmosphere

(西) 洛佩斯-普埃爾托斯 M. (M. López-Puertas)

(英) 泰勒F. W. (F. W. Taylor) 著

李帥輝, 曾丹丹譯

北京 : 科學出版社, 2025.2

非平衡是局地熱力學非平衡的簡稱，通常也被稱為非局地熱平衡（NLTE），但這可能會引起誤解，非平衡指的是局地熱力學處于非平衡，而不是非局地的熱力學平衡。當分子的“內部”溫度（由振動能級和轉動能級的相對布居數決定）與“外部”溫度（由組成一團氣體的許多分子的平動速度分布決定）不同時，就會出現這種現象。這兩個“溫度”是否相同，主要取決于分子碰撞發生的頻率，而碰撞頻率又主要取決于分子的數密度，也就是取決于氣團的壓強和溫度。由于主要依賴于壓強，因此大氣非平衡效應主要在較高海拔，例如地球大氣的平流層及以上區域變得重要。

平衡態的基本概念及其失效，往往會使大氣領域的初學者十分費解。我們希望本書對初學者有一定價值，同時有助于學識經驗豐富的科學家了解到最新情況，因此在第1章花了大量篇幅來討論它的確切含義。總體來說，它針對的是分子內能（由激發態能級表示）不能與外能或者說平動能達到平衡的狀態。平動能是分子平動速度的函數，而平動速度符合與溫度相關的麥克斯韋分布。內能和平動能產生差異的原因有很多，但在大氣中最常見的原因是，缺乏足夠的分子碰撞來保持兩種能量相互平衡。換句話說，在氣壓相對較低的中高層大氣中，非平衡現象很常見。一旦存在非平衡效應，溫度的定義也變得復雜起來，因為可以存在多種定義，而且不同定義下的溫度值不同。在非平衡情況下，計算大氣的輻射吸收和發射也變得更加困難，需要大型計算機來編寫難度更大和更加復雜的數值模型。本書目標之一即是解釋這種模型是如何構建和使用的。

非平衡輻射涉及許多計算量很大的數值模型，因為有諸多物理過程同時對大氣分子與光子間相互作用產生影響。與光子作用的大氣分子有很多種，包括著名的重要“溫室”氣體，如CO?。光子在波長上可跨越幾個數量級，從紫外光、可見光和近紅外（主要源自太陽），到大氣和地球表面連續發射的中紅外和遠紅外波段。大多數情況下，我們關心的是以轉動和振動形式儲存的分子內能。非平衡輻射不僅涉及許多復雜的物理過程，而且通常需要求解至少兩個維度（通常是高度和緯度或太陽天頂角）的方程組。這就容易理解為什么非平衡模型很重要卻被忽視了。

一旦這個問題得到解決，我們不僅能洞察大氣的物理性質，還能掌握模擬大氣演化的基本工具。高層大氣主要受到輻射加熱和冷卻的驅動作用，如果不能真實地計算輻射中的非平衡效應，高層大氣動力學模型將有很大的局限性。目前，除了地表附近，我們對大氣的大部分測量都是通過衛星遙感進行的。衛星上的儀器測量大氣氣體的輻射發射或吸收，以確定它們的溫度或濃度。只有利用非平衡輻射模型計算得到分子發射率時，才能反演得到這些物理量。我們將在本書后面的章節中討論這些應用。

基本非平衡模型主要處理固定組分、不考慮流體動力學效應的大氣輻射（主要是紅外）能量傳輸過程。在某些情況下，我們會討論到基礎光化學建模，所謂光化學即光子與分子碰撞，導致分子分裂并生成其他穩態或準穩態分子。這是非平衡過程的另一個例子，由于它與光子場有關（通常也與分子的內能能態有關），也是本書的一部分。此外，了解大氣的組成，包括臭氧或一氧化碳等關鍵光化學產物，對成功構建非平衡輻射傳輸模型至關重要。如前所述，大氣動力學模型需要好的輻射算法，反之則不然，因此我們不考慮大氣運動，讀者可參考其他諸多相關資料。

總的來說，本書目標包含三個方面：一是為研究生水平的讀者介紹該課題；二是詳細論述如何進行非平衡計算，通過參照該“手冊”建立合適的模型；三是在模型的幫助下，描述大氣中發生的實際過程。最后一個目標主要涉及加熱率和冷卻率的計算，即高層大氣的能量平衡，以及對精密衛星測量結果的解釋。最后需要說明的是，物理學是普適的，盡管我們對自己星球的行為和演化更有興趣，我們也考慮太陽系其他同類行星大氣中已知的或可預期的非平衡行為。

由于本書涉及范圍較廣、復雜性較高，文獻引用可能會很煩冗。為避免正文雜亂，并為希望參考原著或深入研究該課題的讀者提供方便的資料來源，我們將它們都收集到每一章末尾的“參考文獻和拓展閱讀”部分。本書末尾給出了完整的參考文獻和書目。

M. López-Puertas

F. W. Taylor

2001年9月

本文摘編自《大氣非平衡輻射學》[ (西) 洛佩斯-普埃爾托斯 M. (M. López-Puertas) , (英) 泰勒F. W. (F. W. Taylor) 著 ; 李帥輝, 曾丹丹譯. 北京 : 科學出版社, 2025.2]一書“前言”，有刪減修改，標題為編者所加。

責任編輯：劉鳳娟 孔曉慧

本書從輻射基本理論出發，系統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章介紹了輻射傳輸的基礎知識。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CO?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象以及非平衡輻射模型的應用。

本書可作為大氣輻射、大氣物理、大氣遙感領域的高年級本科生、研究生的教學用書，也可作為相關領域科研工作者的參考書。

（本文編輯：劉四旦）

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