火星大氣波動及數值模擬 盛崢 9787030770318 【台灣高等教育出版社】

內容簡介
隨著人們對火星大氣波動現象日益關注，以及行星大氣學科在火星上的深入發展，火星大氣波動已經成為一個重要的研究領域。先進火星探測儀器的不斷投入使用推動著火星大氣波動的研究，而火星大氣波動又極大地影響火星探測器的運行及精度。《火星大氣波動及數值模擬》先介紹了與火星大氣科學領域相關的基礎知識，然後基於探測資料、模式結果和再分析數據集，分別重點介紹了其中的小尺度湍流及重力波擾動特性、全球尺度潮汐波及全球尺度行星波的波動特性。此外，作者使用數值模擬方法對火星大氣垂直相互作用（陸氣相互作用、大氣層結間相互作用）進行了針對性探究，解決了具體的科學問題，併為未來的探火任務提供了理論支撐。

目錄

目錄
前言
第一章火星大氣的獨特性1
1 1火星大氣概況1
1 1 1火星基本情況1
1 1 2火星上的季節劃分2
1 1 3火星大氣垂直分層4
1 1 4火星與地球的異同5
1 2火星大氣與環境變化7
1 2 1沙塵循環7
1 2 2CO2循環10
1 2 3水循環11
1 2 4火星大氣中的波動13
1 3本章小結15
參考文獻16
第二章火星大氣波動介紹19
2 1引言19
2 2大尺度波20
2 2 1熱力潮汐20
2 2 2行星波22
2 3中小尺度波23
2 4本章小結26
參考文獻27
第三章火星大氣探測歷史37
3 1引言37
3 2火星大氣探測的開端37
3 3火星大氣的連續探測39
3 3 1地基光譜觀測39
3 3 2軌道遙感觀測40
3 3 3登陸器和漫遊器55
3 4本章小結59
參考文獻60
第四章火星大氣潮汐、行星波特性研究71
4 1引言71
4 2潮汐71
4 2 1熱力潮汐和大氣溫度的季節尺度特徵71
4 2 2周日西向熱力潮汐波動特徵73
4 2 3周日東向熱力潮汐波動特徵81
4 2 4半周日西向熱力潮汐波動特徵89
4 2 5半周日東向熱力潮汐波動特徵96
4 2 6熱力潮汐對稱波模式的波動特徵104
4 2 7結論與討論107
4 3行星波108
4 3 1緯向波數為1的定常行星波波動特徵108
4 3 2緯向波數為2的定常行星波波動特徵110
4 3 3緯向波數為3的定常行星波波動特徵112
4 3 4緯向波數為4的定常行星波波動特徵113
4 3 5緯向波數為5的定常行星波波動特徵115
4 3 6結論與討論116
4 4本章小結117
參考文獻118
第五章火星大氣重力波特性研究119
5 1火星中高層大氣重力波的氣候態特徵119
5 1 1引言119
5 1 2重力波的時間演變和垂直分佈124
5 1 3重力波的緯度和季節變化127
5 1 4中高層重力波活動特徵的解釋131
5 1 5結論與討論134
5 2火星熱層大氣重力波的波數譜分析135
5 2 1引言135
5 2 2不同緯度內的垂直波數譜特徵142
5 2 3不同經度間內的垂直波數譜特徵 146
5 2 4不同地方時內的垂直波數譜特徵147
5 2 5可能的波源及傳播過程解釋149
5 2 6結論與討論152
5 3本章小結154
參考文獻155
第六章基於數值模擬的火星大氣研究162
6 1引言162
6 2主要大氣模式及相關數據集162
6 2 1主要大氣模式的研究現狀162
6 2 2基於火星大氣模式的數據集的研究現狀167
6 2 3結論與討論172
6 3大氣模式模擬結果172
6 3 1基於數值模式的潮汐波模擬173
6 3 2基於數值模式的行星波模擬177
6 3 3基於數值模式的沙塵模擬179
6 3 4結論與討論181
6 4本章小結182
參考文獻182
第七章火星大氣垂直相互作用189
7 1引言189
7 2火星陸氣相互作用190
7 2 1火星陸氣相互作用簡介190
7 2 2火星陸氣相互作用數值模擬192
7 2 3火星陸氣相互作用原理197
7 2 4結論與討論210
7 3火星大氣層結間相互作用212
7 3 1火星大氣層結間相互作用簡介212
7 3 2火星大氣層結間相互作用數值模擬215
7 3 3火星大氣層結間相互作用原理219
7 3 4結論與討論230
7 4本章小結235
參考文獻236
第八章總結與討論249
8 1火星大氣波動特性研究250
8 1 1已完成工作250
8 1 2待解決的問題250
8 2火星大氣波動模擬研究251
8 2 1已完成工作251
8 2 2待解決的問題251
8 3火星大氣垂直相互作用模擬研究251
8 3 1已完成工作251
8 3 2待解決的問題252

精彩書摘
第一章火星大氣的獨特性
1 1火星大氣概況
1 1 1火星基本情況
火星是太陽系中的第四顆行星，位於地球外側，作為地球最近的行星鄰居，它的可居住性相對較高。金星的大氣層具有腐蝕性且毒性很高，水星距離太陽太近且缺乏大氣層，其他行星缺乏可居住的表面，因此火星成為人類探索並計劃在未來登上的目標星球。火星半徑大致是地球的一半，體積約是地球的1/7。火星的地形地貌與地球非常相似，分佈著平原、峽谷、火山和高原。火星表面乾燥，塵沙飛揚，泥土中富含氧化鐵，所以呈現出紅色的外觀。過去的火星更像地球，表面溫暖潮濕，大氣層更厚，但如今的火星是寒冷和乾燥的，氣象條件極端，大氣層稀薄，氧氣含量少。
火星在40億年前因小行星的撞擊而失去內源磁場，太陽風粒子可直接與火星高層大氣相互作用，注入較低層的大氣，或者通過濺射、碰撞電離等方式侵蝕火星大氣並不斷剝離大氣外層的原子，導致火星大氣非常稀薄，地表氣壓在400∼870Pa左右，密度僅為地球的1%。火星大氣的主要成分為CO2（96％）〔1〕，並含有少量的N2（1 93%）、Ar（1 89%）以及微量的O2和CO等氣體。由於大氣稀薄且距太陽較遠，火星地表溫度很低，平均約－46℃。火星兩極存在含有大量固態CO2和一定量水冰的厚重極冠，其季節性變化促使形成了跨半球的大氣循環。
與地球大氣一樣，太陽輻射對火星大氣系統加熱不均是火星大氣產生大規模運動的根本原因，而火星大氣在高低緯間的熱量收支不平衡是產生和維持火星大氣環流的直接原動力。加上火星大氣和表面的其他熱能過程，導致觀測到的大氣結構具有以下特點： ? 在大多數緯度地區，特別是在熱帶地區，溫度一般隨著高度的增加而降低；? 在低層大氣中，分日期間兩個半球的溫度有向兩極降低的趨勢，至日期間在夏季極區附近的溫度達到最高，在冬季極區附近的溫度達到*低；? 在中層和高層大氣的高緯度地區出現逆溫和局地最高溫度。要特別注意，與地球上10∼50km高度上不同，火星中層大氣中沒有平流層，這主要是因為在火星中間大氣層中很少或沒有可產生臭氧的分子氧，所以不存在光化學誘導的臭氧層。
1 1 2火星上的季節劃分
火星的季節變化通常用太陽經度（solar longitudes，Ls）來描述，即火星相對太陽的位置。如圖11所示，火星繞太陽旋轉 360°，就表示一個火星年結束。Ls＝0°對應北半球春分點，Ls＝90°、Ls＝180°、Ls＝270°依次代表北半球夏至、秋分、冬至。Ls＝0∼90°、90°∼180°、180°∼270°、270°∼360°分別對應春夏秋冬四個季節。一個火星年也包含12個月，每個月跨越30°的太陽經度。火星與太陽平均距離為1 52AU（天文單位，1AU?1 496×108km），火星繞太陽公轉軌道為一個偏心率（0 093）很大的橢圓，公轉周期約為圖11火星在一個完整火星年中的公轉軌道示意圖，對應Ls＝0°∼360°，虛線表示火星的遠日點（Ls＝71°）和近日點（Ls＝251°）的位置注。
地球公轉周期的2倍（1 88地球年），即約687地球日，或668 6火星日（sol）。1火星日平均24小時39分35秒（1 027地球日）。近日點距離為2 07×108km，遠日點距離為2 49×108km，這意味著在穩定太陽輻照下，火星在近日點（Ls＝251°）接收到的太陽輻射是遠日點（Ls＝71°）的1 45 倍。
由於火星軌道的偏心率很大，因此每個月對應的火星日數差異也很大，火星月的長度為46∼67個火星日不等，如表11所示。北半球春季（1∼3月）約有193個火星日，而秋季（7∼9月）只有約143個火星日，北半球春夏季節明顯比秋冬季節長。研究者將 1955 年4月 11 日定義為火星年第一年的開始，之後以此類推，現在已經進入了火星年第37年（開始於2022年12月26日）。表11太陽經度與火星日的轉換月份起止太陽經度Ls/（°）起止火星日持續時間（用火星日表示）具體情況1030061 261 2Ls＝0°， 北半球春分2306061 2126 665 436090126 6193 366 7Ls＝71°，遠日點（火日距離最遠）490120193 3257 864 5Ls＝90°，北半球夏至5120150257 8317 559 76150180317 5371 954 47180210371 9421 649 7Ls＝180°，北半球秋分沙塵暴季節開始8210240421 6468 546 99240270468 5514 646 1Ls＝251°，近日點
（火日距離*近）10270300514 6562 047 4Ls＝270°，北半球冬至11300330562 0612 950 912330360612 9668 655 7沙塵暴季節結束由於火星具有較大的自轉軸傾斜角以及軌道偏心率，其大氣和塵暴活動顯示出很強的季節性，CO2會季節性地在兩極的冰蓋中凝華或者升華，塵暴活動會在火星距離太陽較近時發生得更加頻繁；火星大氣的季節變化往往同時包含日下點移動帶來的照射角的變化以及火日距離變化帶來的輻照度差異影響。
1 1 3火星大氣垂直分層
火星大氣十分稀薄，平均地表氣壓僅相當於地球海平面氣壓的1%左右。火星大氣分層比較簡單，從對流層直接過渡到中間層和熱層（如圖12左側實心*線所示），這使得火星低層大氣與中高層大氣之間的相互作用更為直接和顯著。只有在全球尺度的沙塵暴事件中，火星才會出現類似地球的平流層，太陽對空氣中塵埃的加熱暫時產生近乎等溫的區域或深層反轉，可與地球上臭氧加熱的效果相比。
圖1-2基於海盜號著陸器進入火星大氣探測公布的美國標準大氣（左側的實心*線），帶陰影的虛線反映了大型沙塵事件中氣溶膠對溫度的影響〔2〕
火星大氣的垂直分層可以通過與地球上的垂直區域類比來定義。由於沒有臭氧層或其他足夠強的吸收劑，火星沒有平流層。相反，我們定義一個低層（對流層）、中層（中間層）和高層（熱層、電離層）大氣。低層大氣被定義為50km以下的大氣層（對應于約2Pa的氣壓高度），那裡的溫度通常隨著高度的增加而降低。中層大氣被定義為50∼100km之間的大氣層。在潮汐和波的影響下，中層大氣的溫度變化很大，而且對那裡的溫度觀測比低層大氣少。100km以上是高層大氣(或稱熱層)，因吸收太陽極端紫外線，那裡的溫度隨高度增加而升高。
圖12展示了基於海盜號的進入剖面獲取的火星和地球「標準大氣」的溫度廓線，它與火星勘測軌道飛行器（Mars Reconnaissance Orbiter， MRO）上的火星氣候探測器反演得到的數百萬條溫度廓線的平均值非常相似。當然，真實的溫度廓線並不像圖12所示那樣隨高度平滑變化，而是有明顯的波結構，隨時間變化。上層和下層大氣的分界線（即中間層或熱層的底部）位於兩顆行星表面以上約100km的高度。考慮到不同的表面氣壓，兩顆行星上中間層頂附近氣壓的相似性值得注意： 在地球上，6 1hPa出現在海拔約40km的平流層，而這相當於火星的地表氣壓。在火星上，從流體靜力學角度來說，重力越小，氣壓隨高度的變化越小。
低層大氣是火星地表至約50km高空的大氣，以CO2為主的大氣和沙塵直接吸收太陽輻射而使該層溫度較高，與地球對流層性質接近，溫度隨著高度的升高而降低。在地表附近，存在一個行星邊界層，由於地表的對流和輻射傳輸驅動，其厚度和穩定性在整個晝夜周期中變化強烈。對流層大氣中常年懸浮著沙塵微粒，沙塵活動頻繁，每年遠日季節常有沙塵暴發生，有時甚至會發展成為全球尺度的沙塵暴。
中層大氣也指中間層，距火星地表約50∼100km，中間大氣層的標誌是一個近似等溫的區域，溫度隨高度增加變化很小。同地球中間層大氣一樣，火星中層大氣的能量收支也受上部太陽輻射、底部大氣波動向上傳播（上傳）以及大尺度環流等多種機制的影響，在大氣波動的作用下使溫度剖面產生一系列擾動。
在中間層以上，由於