大气中不存在真正的热力学平衡态。空气微团时刻与周围环境发生粒子和光子交换、分子间碰撞以及化学反应，从而处于变化中。
大气科学包含三个主要的分支学科：辐射、化学和动力学。有许多专著分别论述过这三个分支学科，其中非平衡（non-LTE）大多扮演着重要的角色。但是，尚无一本专门描写非平衡的书籍，这是一个严重的缺失。人们已经逐渐意识到，高层大气及其中复杂而有趣的物理过程，是整个系统的重要组成部分。同样明确的是，如果不详细考虑非平衡过程，就无法通过卫星遥感对中高层大气进行测量，也无法提出有效的计算模型。因此，需要一本基础书籍来阐述这一现象及其相关过程。
《大气非平衡辐射学》的目的是描述在行星大气中发生的各种非平衡过程，并为确定非平衡大气中的温度剖面、加热/冷却率和向外的辐射场，提供详细的数学和计算公式。所有这些将通过实例来说明，重点以地球大气层为例，也将扩展到其他行星的大气层和彗星。
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Non-LTE Radiative Transfer in the Atmosphere
(西) 洛佩斯-普埃尔托斯 M. (M. López-Puertas)
(英) 泰勒F. W. (F. W. Taylor) 著
李帅辉, 曾丹丹译
北京 : 科学出版社, 2025.2
非平衡是局地热力学非平衡的简称，通常也被称为非局地热平衡（NLTE），但这可能会引起误解，非平衡指的是局地热力学处于非平衡，而不是非局地的热力学平衡。当分子的“内部”温度（由振动能级和转动能级的相对布居数决定）与“外部”温度（由组成一团气体的许多分子的平动速度分布决定）不同时，就会出现这种现象。这两个“温度”是否相同，主要取决于分子碰撞发生的频率，而碰撞频率又主要取决于分子的数密度，也就是取决于气团的压强和温度。由于主要依赖于压强，因此大气非平衡效应主要在较高海拔，例如地球大气的平流层及以上区域变得重要。
平衡态的基本概念及其失效，往往会使大气领域的初学者十分费解。我们希望本书对初学者有一定价值，同时有助于学识经验丰富的科学家了解到最新情况，因此在第1章花了大量篇幅来讨论它的确切含义。总体来说，它针对的是分子内能（由激发态能级表示）不能与外能或者说平动能达到平衡的状态。平动能是分子平动速度的函数，而平动速度符合与温度相关的麦克斯韦分布。内能和平动能产生差异的原因有很多，但在大气中最常见的原因是，缺乏足够的分子碰撞来保持两种能量相互平衡。换句话说，在气压相对较低的中高层大气中，非平衡现象很常见。一旦存在非平衡效应，温度的定义也变得复杂起来，因为可以存在多种定义，而且不同定义下的温度值不同。在非平衡情况下，计算大气的辐射吸收和发射也变得更加困难，需要大型计算机来编写难度更大和更加复杂的数值模型。本书目标之一即是解释这种模型是如何构建和使用的。
非平衡辐射涉及许多计算量很大的数值模型，因为有诸多物理过程同时对大气分子与光子间相互作用产生影响。与光子作用的大气分子有很多种，包括著名的重要“温室”气体，如CO₂。光子在波长上可跨越几个数量级，从紫外光、可见光和近红外（主要源自太阳），到大气和地球表面连续发射的中红外和远红外波段。大多数情况下，我们关心的是以转动和振动形式储存的分子内能。非平衡辐射不仅涉及许多复杂的物理过程，而且通常需要求解至少两个维度（通常是高度和纬度或太阳天顶角）的方程组。这就容易理解为什么非平衡模型很重要却被忽视了。
一旦这个问题得到解决，我们不仅能洞察大气的物理性质，还能掌握模拟大气演化的基本工具。高层大气主要受到辐射加热和冷却的驱动作用，如果不能真实地计算辐射中的非平衡效应，高层大气动力学模型将有很大的局限性。目前，除了地表附近，我们对大气的大部分测量都是通过卫星遥感进行的。卫星上的仪器测量大气气体的辐射发射或吸收，以确定它们的温度或浓度。只有利用非平衡辐射模型计算得到分子发射率时，才能反演得到这些物理量。我们将在本书后面的章节中讨论这些应用。
基本非平衡模型主要处理固定组分、不考虑流体动力学效应的大气辐射（主要是红外）能量传输过程。在某些情况下，我们会讨论到基础光化学建模，所谓光化学即光子与分子碰撞，导致分子分裂并生成其他稳态或准稳态分子。这是非平衡过程的另一个例子，由于它与光子场有关（通常也与分子的内能能态有关），也是本书的一部分。此外，了解大气的组成，包括臭氧或一氧化碳等关键光化学产物，对成功构建非平衡辐射传输模型至关重要。如前所述，大气动力学模型需要好的辐射算法，反之则不然，因此我们不考虑大气运动，读者可参考其他诸多相关资料。
总的来说，本书目标包含三个方面：一是为研究生水平的读者介绍该课题；二是详细论述如何进行非平衡计算，通过参照该“手册”建立合适的模型；三是在模型的帮助下，描述大气中发生的实际过程。最后一个目标主要涉及加热率和冷却率的计算，即高层大气的能量平衡，以及对精密卫星测量结果的解释。最后需要说明的是，物理学是普适的，尽管我们对自己星球的行为和演化更有兴趣，我们也考虑太阳系其他同类行星大气中已知的或可预期的非平衡行为。
由于本书涉及范围较广、复杂性较高，文献引用可能会很烦冗。为避免正文杂乱，并为希望参考原著或深入研究该课题的读者提供方便的资料来源，我们将它们都收集到每一章末尾的“参考文献和拓展阅读”部分。本书末尾给出了完整的参考文献和书目。
M. López-Puertas
F. W. Taylor
2001年9月
本文摘编自《大气非平衡辐射学》[ (西) 洛佩斯-普埃尔托斯 M. (M. López-Puertas) , (英) 泰勒F. W. (F. W. Taylor) 著 ; 李帅辉, 曾丹丹译. 北京 : 科学出版社, 2025.2]一书“前言”，有删减修改，标题为编者所加。
责任编辑：刘凤娟 孔晓慧
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。
本书可作为大气辐射、大气物理、大气遥感领域的高年级本科生、研究生的教学用书，也可作为相关领域科研工作者的参考书。
（本文编辑：刘四旦）
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