[科普中国]-辐射转移

辐射是天体上能量传递的一种基本方式。辐射转移（Radiation transfer）理论研究辐射转移规律﹐探讨辐射通过既有吸收又有发射的介质时的变化情况。它涉及辐射场的物理状态以及辐射和物质的相互作用等。辐射转移理论的最主要内容是建立辐射转移方程﹐并在一定的条件下求解。

简介辐射转移是天体物理学领域中关于大气辐射和辐射转移过程的经典性著作。S. 昌德拉塞卡（见 “恒星动力学原理”）著。英国牛津大学出版社1950年出版。被列为当时的国际系列物理丛书之一。

主要内容本书讨论的主要内容，是天体内部由于热核反应而产生的电磁辐射在大气中的传播过程。描述这一过程的基本方程叫做辐射转移方程。辐射转移方程是一个一阶微分方程。书中系统地论述了该方程的各种解法，并讨论了由作者本人提出的精确解法。书中所作的精确解法是辐射转移方程的最重要解法之一。还通过辐射转移过程的讨论，对大气的基本物理过程作了一定的假设，建立起大气模型。根据一定的大气模型，从理论上得出由天体发出的辐射（包括连续辐射和线辐射）的性质。将这些理论结果与实际观测相比较，从而得到了大气的各种物理参量和化学组成。本书还详细讨论了大气中的散射过程。从现今的角度看，显得过多地在数学上分析和讨论，与天文实际联系得不够。

基本物理量辐射场的几个基本物理量如下：

（1）辐射强度。辐射强度是点的函数，并依赖于方向L、时间t和频率，即辐射强度表徵在单位时间、单位立体角、单位频率范围内通过同辐射方向垂直的单位面积的辐射能。

（2）辐射流F，指单位时间内通过单位面积，在单位频率间隔内向外的辐射能与向内的辐射能之差，F的大小通常与面元在空间的位置和方向都有关系。

（3）平均辐射强度J，辐射场内任一点辐射强度对方向的平均值。

（4）辐射密度u，指单色辐射密度是单位体积内所包含的单位频率间隔的辐射能

（5）辐射压力P，单色辐射施于单位面积的压力

（6）辐射和物质之间的相互作用形式包括发射和吸收。单位质量的物质在单位时间、单位频率间隔、单位立体角内发射的能量称为发射系数，用j表示。辐射通过单位质量的物质后辐射强度的相对减弱定义为吸收系数（或称单位质量的吸收系数）。

（7）辐射转移方程。当辐射通过一个既能发射又能吸收辐射的介质时，辐射强度所遵循的微分方程称为辐射转移方程。在研究正常恒星大气时，由于大气厚度远小于恒星半径，可以忽略大气层的曲率，把大气看作是平面平行层。

（8）灰色大气的辐射平衡理论。为了求解辐射转移方程，必须知道源函数或温度随深度的分布规律。早期，由于缺乏有关吸收系数的知识，引入了吸收系数与频率无关的假设。这就是灰色大气模型，是实际恒星大气的近似描述。

在辐射平衡条件下，总辐射流与深度无关，等于它的表面值。把温度随深度分布的规律代入转移方程的解中，就得到有意义的真实解。对于恒星表面，研究辐射强度的分布规律，可得恒星（或太阳）圆面的临边昏暗规律。研究辐射强度的分布规律，可得恒星连续光谱能量按频率的分布。太阳圆面临边昏暗的实测结果与理论计算相符。但在连续光谱能量分布方面，理论和观测之间存在著一系列差异，特别是理论无法解释观测到的连续光谱能量分布的跳变现象。根据灰色大气模型计算得到的一些结果，特别是温度分布规律仍被广泛地应用。

（9）非灰色大气的辐射平衡理论。恒星大气的吸收系数是与频率有关的。对不同的光谱型来说，吸收系数和频率的关系也是不同的。当前已基本上明确在不同光谱型的恒星里吸收系数和频率的关系。研究非灰色大气的方法通常是用逐次近似法。把灰色大气的温度分布作为第一近似，灰色大气的光学厚度是由平均吸收系数确定的。1

本词条内容贡献者为:

张勇 - 副教授 - 西南大学资源环境学院