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Goussev, Oleg (2003): Non-LTE diagnostics of the infrared observations of the planetary atmosphere. Dissertation, LMU München: Faculty of Physics
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Abstract

The analysis of the infrared measurements of a number of sophisticated space experiments requires modeling of molecular infrared radiation with accounting for the nonlocal thermodynamic equilibrium (non--LTE). In this dissertation a general formulation is given of the multilevel vibrational-rotational non-LTE problem for a mixture of radiating molecular gases in a planetary atmosphere. The approach for the solution of this problem suggested here utilizes the Accelerated Lambda Iteration (ALI) technique developed in stellar astrophysics for spectrum formation calculations and for the computation of non-LTE model stellar atmospheres. This new for atmospheric science technique is not subject to the limitations of the traditional matrix and conventional lambda iteration methods which dominate the studies dealing with non-LTE in planetary atmospheres. In the case of the CO2 non-LTE problems in the atmospheres of Earth and Mars it is demonstrated that ALI approach is far superior to the other algorithms in minimizing computer time and storage and in converging much more rapidly. While ``atmospheric'' groups concentrated on the development of codes suitable for treatment of limited number of selected non-LTE problems the computer code package ALI-ARMS (for ``Accelerated Lambda Iteration for Atmospheric Radiation and Molecular Spectra'') compiled in framework of this study allows non-LTE treatment of arbitrary number of molecules interacting by collisionally induced exchange of energy and by the band overlaps. It was applied to the analysis of large amount of the infrared limb radiance data obtained both in the CRyogenic Infrared Spectrometers and Telescopes for the Atmosphere (CRISTA) experiments on board of the german ASTRO-SPAS satellite and by the Thermal Emission Spectrometer (TES) instrument orbiting Mars on board of the NASA Mars Global Surveyor (MGS) satellite. In case of the Earth's atmosphere first detailed distributions of temperature and trace gas concentrations in the upper mesosphere and lower thermosphere were obtained. The retrieved temperature data confirmed the ``two-level'' structure of the Earth's mesopause which was recently discovered in the lidar and rocket experiments. These results contribute to the studies of the mesosphere, which is considered today to be the tracer of the global climate changes.

Abstract

Für die Analyse der Infrarotmessungen von mehreren Weltraumexperimenten benötigt man die Berechnung der molekularen Infrarotstrahlung unter Berücksichtigung des nichtlokalen thermodynamischen Gleichgewichts (non-LTE). In dieser Dissertation wird die allgemeine Formulierung des non-LTE-Problems für die Mischung molekularer Gase in einer Planetenatmosphäre gegeben. Die hier vorgeschlagene Methode für die Lösung dieses Problems verwendet die ''Accelerated Lambda Iteration (ALI)'', die in der Astrophysik für die non-LTE Modellierung der Sternatmosphären entwickelt worden ist. Diese für die Atmosphärenforschung neue Technik ist frei von den Beschränkungen der Matrix- und Lambda-Iterationsmethoden, mit denen man traditionell die non-LTE Probleme in den Planetenatmosphären behandelt. Mit der Lösung des CO2-non-LTE Problems in der Erd- und Marsatmosphäre wird demonstriert, dass die ALI-Methode den anderen Algorithmen in Rechenzeit und Arbeitsspeicherverbrauch weit überlegen ist. Während sich die Atmosphärengruppen auf die Lösung einiger ausgewählter non-LTE-Probleme beschränkten, erlaubt das im Rahmen dieser Studie entwickelte Computerprogramm ALI-ARMS (für ``Accelerated Lambda Iteration for Atmospheric Radiation and Molecular Spectra'') die non-LTE-Modellierung einer beliebigen Anzahl von Molekülen, die durch den Stoß- und Strahlungsaustausch von Energie gekoppelt sind. ALI-ARMS wurde angewandt für die Datenauswertung der Infrarotspektren, die von dem ``CRyogene Infrarot-Spektrometer und Teleskope für die Atmosphäre (CRISTA)''-Experiment an Bord des deutschen ASTRO-SPAS-Satelliten gemessen wurden, und für die Analyse der 10 um Laser Banden, die von dem Thermal Emission Spectrometer (TES) an Bord von Mars Global Surveyor (MGS) aufgenommen wurden. Im Fall der Erdatmosphäre wurden die ersten detaillierten Karten der Temperatur sowie der Spurengaskonzentrationen in der oberen Mesosphäre und untereren Thermosphäre erzeugt. Die Ergebnisse dieser Arbeit sind ein wesentlicher Beitrag zu Studien der Mesosphäre, die heute als Indikator der globalen Klimaveränderungen betrachtet wird.