source: trunk/LMDZ.MARS/libf/phymars/nltecool.F @ 1980

Last change on this file since 1980 was 1268, checked in by aslmd, 11 years ago

LMDZ.MARS. related to r1266. forgot to remove a few now-obsolete dimensions.h includes in Mars physics.

File size: 11.7 KB
Line 
1c**************************************************************************
2c
3      subroutine nltecool(ngrid,nlayer,nq,pplay,pt,pq,dtnlte)
4c
5c This code was designed as a delivery for the "Martian Environment Models"
6c project ( ESA contract 11369/95/nl/jg CCN2 )
7c Computes non-LTE heating rates from CO2 emission at 15 um
8c in the Martian upper atmosphere.
9c Uses a simplified model consisting of two excited levels with two
10c emission bands, one of them stronger than the other, which correspond
11c to the behaviours of the 626 fundamental band and the isotopic fund.bands.
12c It uses a cool-to-space approximation with tabulated escape functions.
13c These escape functions have been precomputed for the strong and weak bands,
14c and are given as a function of pressure in separate files.
15c The output values are the heating rates (actually, cooling, since they
16c are always negative) for the two bands, i.e., the total cooling is the
17c sum of them.
18c Miguel A. Lopez Valverde
19c Instituto de Astrofisica de Andalucia (CSIC), Granada, Spain
20c
21c Version 1b.  See description above.  22-March-2000.
22c Adapted as a subroutine for use in GCM -- PLR/SRL 6/2000
23c Version 1c.  Inclusion of VMR in the tabulation of escape functions.
24c              Table contains now only 1 input file -- Miguel 11/Jul/2000
25c Version 1d  data contained in original input file "nlte_escape.dat"
26c now stored in include file "nltedata.h" Y.Wanherdrick 09/2000
27
28c       jul 2011 fgg   Modified to allow variable O
29c     
30c***************************************************************************
31
32      use tracer_mod, only: igcm_co2, igcm_co, igcm_o, igcm_n2, mmol
33      use conc_mod, only: mmean
34      implicit none
35
36#include "nltedata.h" ! (Equivalent to the reading of the "nlte_escape.dat" file)
37#include "chimiedata.h"
38#include "callkeys.h"
39
40c Input and output variables
41c
42      integer     ngrid                           ! no. of horiz. gridpoints
43      integer     nlayer                          ! no. of atmospheric layers
44      integer     nq                              ! no. of tracers
45      real        pplay(ngrid,nlayer)             ! input pressure grid
46      real        pt(ngrid,nlayer)                ! input temperatures
47      real        pq(ngrid,nlayer,nq)                ! input mmrs
48      real        dtnlte(ngrid,nlayer)            ! output temp. tendencies
49
50c
51c Standard atmosphere variables
52c
53      real        nt                              ! number density [cm-3]
54      real        co2(nlayer)                     !  "   of CO2
55      real        o3p(nlayer)                     !  "   of atomic oxygen
56      real        n2co(nlayer)                    !  "  of N2 + CO
57      real        pyy(nlayer)                     ! auxiliary pressure grid
58
59c
60c Vectors and indexes for the tabulation of escape functions and VMR
61c
62c                 np                              ! # data points in tabulation
63c                 pnb(np)                         ! Pressure in tabulation
64c                 ef1(np)                         ! Esc.funct.#1, tabulated
65c                 ef2(np)                         ! Esc.funct.#2, tabulated
66c                 co2vmr(np)                      ! CO2 VMR tabulated
67c                 o3pvmr(np)                      ! CO2 VMR tabulated
68c                 n2covmr(np)                     ! N2+CO VMR tabulated
69      real        escf1(nlayer)                   ! Esc.funct.#1, interpolated
70      real        escf2(nlayer)                   ! Esc.funct.#2, interpolated
71
72
73c
74c Local Constants
75c
76      real       nu1, nu2                         ! freq. of energy levels
77      real       imr1, imr2                       ! isotopic abundances
78      real       hplanck, gamma, vlight           ! physical constants
79      real       ee
80      real       rfvt                             ! collisional rate
81      real       rfvto3p                          !     "
82      real       rfvv                             !     "
83
84c
85c Local variables for the main loop
86c
87      real       n1, n2, co2t                     ! ground populations
88      real       l1, p1, p12                      ! prod & losses
89      real       l2, p2, p21
90      real       tt                               ! dummy variable
91      real       c1, c2                           ! molecular constants
92      real       ae1, ae2                         ! einstein spontaneous emission
93      real       a1, a2, a12, a21
94      real       pl1, pl2
95      real       el1, el2
96      real       hr1, hr2                         ! heating rate due to each band
97      real       hr(nlayer)                       ! total heating rate
98
99c
100c Indexes
101c
102      integer    i
103      integer    j,ii
104
105c
106c Rate coefficients
107c
108      real       k19xca, k19xcb
109      real       k19cap1, k19cap2
110      real       k19cbp1, k19cbp2
111      real       d19c, d19cp1, d19cp2
112      real       k20xc, k20cp1, k20cp2
113      real       k21xc, k21cp2
114
115      logical    firstcall
116      data       firstcall/.true./
117      save       firstcall,ef1,ef2,co2vmr,n2covmr,o3pvmr,pnb
118
119c
120c Data
121c
122      data       nu1, nu2, hplanck, gamma, vlight, ee/
123     1     667.38, 662.3734, 6.6261e-27, 1.191e-5, 3.e10, 1.438769/
124
125c*************************************************************************
126c       PROGRAM  STARTS
127c*************************************************************************
128
129      imr1 = 0.987
130      imr2 = 0.00408 + 0.0112
131      rfvt = 0.1
132      rfvto3p = 1.0
133      rfvv = 0.1
134
135      if(firstcall) then
136
137         do i=1,np
138            pnb(i)=1.0e-4*exp(pnb(i)) ! p into Pa
139         end do
140
141         firstcall = .false.
142
143      endif
144
145c
146c MAIN LOOP, for each gridpoint and altitude:
147c
148      do j=1,ngrid  ! loop over grid points
149c
150c set up local pressure grid
151c
152         do ii=1,nlayer
153            pyy(ii)=pplay(j,ii)
154         enddo
155!
156! Interpolate escape functions and VMR to the desired grid
157!
158         call interp1(escf2,pyy,nlayer,ef2,pnb,np)
159         call interp1(escf1,pyy,nlayer,ef1,pnb,np)
160         if(nltemodel.eq.0) then
161            call interp3(co2,o3p,n2co,pyy,nlayer,
162     &           co2vmr,o3pvmr,n2covmr,pnb,np)
163         endif
164       
165         do i=1,nlayer  ! loop over layers
166C
167C test if p lies outside range (p > 3.5 Pa)
168C changed to 1 Pa since transition will always be higher than this
169C
170            if(pyy(i) .gt. 1.0 .or. pyy(i) .lt. 4.0e-6) then
171               hr(i)=0.0
172               dtnlte(j,i)=0.0
173            else
174c
175c           if(pt(j,i).lt.1.0)print*,pt(j,i)
176               nt = pyy(i)/(1.381e-17*pt(j,i)) ! nt in cm-3
177               !Dynamic composition
178               if(nltemodel.eq.1) then
179                  co2(i)=pq(j,i,igcm_co2)*mmean(j,i)/mmol(igcm_co2)
180                  o3p(i)=pq(j,i,igcm_o)*mmean(j,i)/mmol(igcm_o)
181                  n2co(i)=pq(j,i,igcm_co)*mmean(j,i)/mmol(igcm_co) +
182     $                 pq(j,i,igcm_n2)*mmean(j,i)/mmol(igcm_n2)
183               endif
184
185               !Mixing ratio to density
186               co2(i)=co2(i)*nt                ! CO2 density in cm-3
187               o3p(i)=o3p(i)*nt                ! O3p density in cm-3
188               n2co(i)=n2co(i)*nt              ! N2+CO in cm-3
189c molecular populations
190               n1 = co2(i) * imr1
191               n2 = co2(i) * imr2
192               co2t = n1 + n2
193
194c intermediate collisional rates
195               tt = pt(j,i)*pt(j,i)
196
197               if (pt(j,i).le.175.0) then
198                  k19xca = 3.3e-15
199                  k19xcb = 7.6e-16
200               else
201                  k19xca = 4.2e-12 * exp( -2988.0/pt(j,i) + 303930.0/tt)
202                  k19xcb = 2.1e-12 * exp( -2659.0/pt(j,i) + 223052.0/tt)
203               endif
204               k19xca = k19xca * rfvt
205               k19xcb = k19xcb * rfvt
206               k19cap1 = k19xca * 2.0 * exp( -ee*nu1/pt(j,i) )
207               k19cap2 = k19xca * 2.0 * exp( -ee*nu2/pt(j,i) )
208               k19cbp1 = k19xcb * 2.0 * exp( -ee*nu1/pt(j,i) )
209               k19cbp2 = k19xcb * 2.0 * exp( -ee*nu2/pt(j,i) )
210               d19c = k19xca*co2t + k19xcb*n2co(i)
211               d19cp1 = k19cap1*co2t + k19cbp1*n2co(i)
212               d19cp2 = k19cap2*co2t + k19cbp2*n2co(i)
213                                !
214               k20xc = 3.e-12 * rfvto3p
215               k20cp1 = k20xc * 2.0 * exp( -ee/pt(j,i) * nu1 )
216               k20cp2 = k20xc * 2.0 * exp( -ee/pt(j,i) * nu2 )
217                                !
218               k21xc = 2.49e-11 * 0.5 * rfvv
219               k21cp2 = k21xc * exp( - ee/pt(j,i) * (nu2-nu1) )
220                                !
221               l1 = d19c + k20xc*o3p(i) + k21cp2*n2
222               p1 = ( d19cp1 + k20cp1*o3p(i) ) * n1
223               p12 = k21xc*n1
224                                !
225               l2 = d19c + k20xc*o3p(i) + k21xc*n1
226               p2 = ( d19cp2 + k20cp2*o3p(i) ) * n2
227               p21 = k21cp2*n2
228
229c radiative rates
230               ae1 = 1.3546 * 1.66 / 4.0 * escf1(i)
231               ae2 = ( 1.3452 + 1.1878 ) * 1.66 / 4.0 * escf2(i)
232               l1 = l1 + ae1
233               l2 = l2 + ae2
234
235c solving the system
236               c1 = gamma*nu1**3. * 0.5
237               c2 = gamma*nu2**3. * 0.5
238               a1 = c1 * p1 / (n1*l1)
239               a2 = c2 * p2 / (n2*l2)
240               a12 = (nu1/nu2)**3. * n2/n1 * p12/l1
241               a21 = (nu2/nu1)**3. * n1/n2 * p21/l2
242               el2 = (a2 + a21 * a1 ) / ( 1.0 - a21 * a12 )
243               el1 = a1 + a12 * el2
244               pl1 = el1 * n1 / c1
245               pl2 = el2 * n2 / c2
246
247c  heating rate
248               hr1 = - hplanck*vlight * nu1 * ae1 * pl1
249               hr2 = - hplanck*vlight * nu2 * ae2 * pl2
250               hr(i) = hr1 + hr2
251               dtnlte(j,i)=0.1*hr(i)*pt(j,i)/(4.4*pyy(i)) ! dtnlte in K s-1
252c              write(7,25)pxx(i),hr1,hr2,hr(i),qt
253c  25         format(' ',1p5e12.4)
254
255            endif
256
257         enddo  ! end loop over layers
258      enddo     ! end loop over grid points
259c     close(7)
260c
261        return
262        end
263
264c***********************************************************************
265
266      subroutine interp1(escout,p,nlayer,escin,pin,nl)
267C
268C subroutine to perform linear interpolation in pressure from 1D profile
269C escin(nl) sampled on pressure grid pin(nl) to profile
270C escout(nlayer) on pressure grid p(nlayer).
271C
272      real escout(nlayer),p(nlayer)
273      real escin(nl),pin(nl),wm,wp
274      integer nl,nlayer,n1,n,nm,np
275      do n1=1,nlayer
276         if(p(n1) .gt. 3.5 .or. p(n1) .lt. 4.0e-6) then
277            escout(n1) = 0.0
278         else
279            do n = 1,nl-1
280               if (p(n1).le.pin(n).and.p(n1).ge.pin(n+1)) then
281                  nm=n
282                  np=n+1
283                  wm=abs(pin(np)-p(n1))/(pin(nm)-pin(np))
284                  wp=1.0 - wm
285               endif
286            enddo
287            escout(n1) = escin(nm)*wm + escin(np)*wp
288         endif
289      enddo
290      return
291      end
292
293c***********************************************************************
294
295      subroutine interp3(esco1,esco2,esco3,p,nlayer,
296     1     esci1,esci2,esci3,pin,nl)
297C
298C subroutine to perform 3 simultaneous linear interpolations in pressure from
299C 1D profiles esci1-3(nl) sampled on pressure grid pin(nl) to 1D profiles
300C esco1-3(nlayer) on pressure grid p(ngrid,nlayer).
301C
302      real esco1(nlayer),esco2(nlayer),esco3(nlayer),p(nlayer)
303      real esci1(nl),    esci2(nl),    esci3(nl),    pin(nl),wm,wp
304      integer nl,nlayer,n1,n,nm,np
305      do n1=1,nlayer
306         if (p(n1).gt. 3.5 .or. p(n1) .lt. 4.0e-6) then
307            esco1(n1)=0.0
308            esco2(n1)=0.0
309            esco3(n1)=0.0
310         else
311            do n = 1,nl-1
312               if (p(n1).le.pin(n).and.p(n1).ge.pin(n+1)) then
313                  nm=n
314                  np=n+1
315                  wm=abs(pin(np)-p(n1))/(pin(nm)-pin(np))
316                  wp=1.0 - wm
317               endif
318            enddo
319            esco1(n1) = esci1(nm)*wm + esci1(np)*wp
320            esco2(n1) = esci2(nm)*wm + esci2(np)*wp
321            esco3(n1) = esci3(nm)*wm + esci3(np)*wp
322         endif
323      enddo
324      return
325      end
Note: See TracBrowser for help on using the repository browser.