Non-LTE diagnostics of the infrared observations of the planetary atmosphere [Elektronische Ressource] / vorgelegt von Oleg Goussev

Non LTE diagnostics of the
infrared observations
of the planetary atmosphere
Oleg Goussev
München 2002Non LTE diagnostics of the
infrared observations
of the planetary atmosphere
Oleg Goussev
Dissertation
anderFakultätfürPhysik
derLudwig–Maximilians–Universität
München
vorgelegtvon
OlegGoussev
ausSt.Petersburg
München,den16.12.2002Erstgutachter:Prof.Dr.A.W.A.Pauldrach
Zweitgutachter:Prof.Dr.H.Lesch,Prof.Dr.K. U.Großmann
TagdermündlichenPrüfung:03.06.2003Tableofcontents
1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
2 Thenon LTEproblemformoleculargasintheplanetaryatmosphere . . . . . . . . . . 3
2.1 Formulationoftheproblem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
2.2 Completethermodynamicequilibrium(CTE) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.3 Localthermodynamicequilibrium(LTE) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.4 PartialLTE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.4.1 RotationalLTE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.4.2 VibrationalLTEingroupsoflevels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.5 Ro vibrationalnon LTE. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
3 Methodsofsolutionofthenon LTEproblem(currentstatus) . . . . . . . . . . . . . . 11
3.1 Lambdaiteration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
3.2 Matrixmethod . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
3.3 Comparisonoflambdaiterationandmatrixmethod . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
3.4 Acceleratedlambdaiteration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
3.5 Treatingthenonlinearityarisingfromcollisions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
3.5.1 Straightforwarditerationand“decoupling” . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
3.5.2 Newton–Raphsonmethod . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
4 Comparisonofmethodsusedtosolvenon LTEprobleminatmosphericscience . . . 19
4.1 ComparisonoftheALIandlambdaiterationtechniques . . . . . . . . . . . . . . . 19
4.2ofALIalgorithmsutilisingvariousradiativetransfertechniques . . . 23
4.3 ALI–ARMS,MCMandARCcodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
5 Applications of ALI ARMS: non LTE retrievals of the atmospheric parameters from
CRISTA 1andCRISTA 2radiancedata . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
5.1 CRISTA 1and 2spectralchannelswithnon LTEemissions . . . . . . . . . . . . . 30
5.2 Methodofretrieval . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
5.3 Non LTEretrievalofCO densities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 352
5.4 Non LTEretrievalofO densities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 363
5.5 Non LTEretrievaloftemperature . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
6 Applications of ALI ARMS: analysis of the TES/MGS observations of the Martian at
mosphere . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49VI Tableofcontents
7 Applications of ALI ARMS: vibration rotational non LTE in CO in the Earth atmos 2
phere . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
8 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
9 Appendixes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
A Usingspectrallinedatabasesfornon LTEstudies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
A.1 UsingHITRANfornon LTEapplications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
A.1.1 Lineprofilesandfrequencyquadraturescheme . . . . . . . . . . . . . . . . 64
A.2 Definitionsofvibrationaltemperature . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
B Electronic vibrational rotationallevelsandbandsofmoleculesusedinthisstudy . . 71
B.1 H O . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 712
B.2 CO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 722
B.3 O . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 733
B.4 N O . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 752
B.5 CO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
B.6 O . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 762
B.7 N . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 772
C Collisionalrates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
C.1 R−T collisionalprocesses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
C.1.1 RatecoefficientsfortheCO R−T energyexchange . . . . . . . . . . . . . 832
C.2 V−T collisionalprocesses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
C.2.1 V−T collisionaltransitionsinH O . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 832
C.2.2 V−TinCO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 842
C.2.3 V−T collisionaltransitionsinO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 863
C.2.3.1 KineticmodelofManuilova . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
C.2.3.2 KineticmodelsofMlynczak . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
C.2.3.3 KineticmodelofKoutoulaki . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
C.2.4 V−T collisionaltransitionsinN O . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 892
C.2.5 V−TinCO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
C.2.6 V−T collisionaltransitionsinN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 902
C.2.7 V−TinO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 902
C.3 V−V collisionalprocesses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
C.4 C−V processes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
C.4.1 Productionofozone:recombinationreaction . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
3C.4.2 ChemicaldeactivationofozonebyO( P ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96JTableofcontents VII
C.4.3 Destructionofozonebyreactionswithotherminorchemicalspecies . . . . 97
C.4.4 ChemicalexcitationofO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 972
D Solutionoftheradiativetransferequation(RTE) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
D.1 Opticaldepth . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
D.2 Lambdaandpsioperators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
D.3 Integralmethods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
D.3.1 Methodoflongcharacteristics(MLC) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
D.3.2 Methodofshortcharacteristics(MSC) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
D.4 Differentialmethods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
D.4.1 Feautriermethod . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
D.4.2 Discontinuousfiniteelement(DFE)method . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
D.5 Treatinglaserbands . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
D.6 Comparisonofthemethods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
E Numericalaccelerationtechniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
E.1 Ng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
E.2 Orthominacceleration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
F Atmosphericmodelsusedinthisstudy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
F.1 Earthatmosphere . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
F.1.1 Pressureandtemperature . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
F.1.2 Volumemixingratios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
F.2 Marsatmosphere . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
F.2.1 MarsandEarthatmospheres:thecomparison . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
G CurrentstatusofthecodepackageALI ARMS(technicaldetails) . . . . . . . . . . . . 115
G.1 Generalfeaturesofthecode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
G.2 Possiblefutureextensions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
G.3 Implementedmodels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
H The non LTE problems for various molecules in the Earth atmosphere solved by ALI
ARMS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
H.1 Vibrationalnon LTEinCO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1192
H.2 Vnon LTEinO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1203
H.3 Vibrationalnon LTEinH O . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1232
H.4 Vnon LTEinN O . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1242
H.5 Vibrationalnon LTEinCO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
H.6 Vnon LTEinO . . . . . . .