轻松理解传输方程

힘센캥거루
2021년 10월 8일(수정됨)
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earth

继光学深度之后,我们将探讨传输方程。

如果您还不知道什么是光学深度,建议先阅读下面的文章,然后再阅读本文。

1. 传输方程的定性思考

传输方程描述了在某个天体内部光的传输过程。

通常,天体不仅吸收光,同时也会发射光。 我们可以用教室来比喻这一现象。

1) 学生们依次将硬币传递给前排的老师(观察者)。
2) 每个学生收到后保留1个硬币(消光)并额外添加4个(发射)。
3) 老师最终会收到多少硬币?
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那么,每个学生传递时,硬币的变化量等于硬币的增加量(发射量)减去保持的量(消光)。

而且,随着传递路径上的人数增加(可以想象为路径加长),硬币的增加量也会增加。

路径越长,起初名宿传递的所有硬币都被学生们拿走,无法到达老师。

老师无法知道名宿传递了多少硬币,就像在大气中,观察者无法看到从某个点传来的光。

因为不透明,无法观测到。

2. 传输方程的定量思考

重头戏是传输方程。

图示来自“天文学及天体物理学导论”第四版(教保书店),第228页。

这里要思考的是光通过的距离,消光程度,以及通过气体后的光度变化如何。

这与上面比喻的教室情景类似。

1) 光通过的距离:由于光的通过角为θ,因此通过距离为(dl/cosθ)。
2) 通过的光度变化量:发射的量减去消光的量。
3) 上述值与距离成正比。
4) 因此光度变化量 = (发射量 - 消光量)* 通过距离

将上面的公式用以下简化符号表达并建立成定量公式。

要参考的是在第三点中的光学深度是以“波长”为基础,而在传输方程中则根据天文学和天体物理学中描述的“频率”。

消光系数(χ): 类似(不透明度*密度)
发射系数(η): 气体发射的值
源函数(S=η/χ): 光的发射量/光的吸收量
光学深度(τ): 如果不清楚,可以回到上面查看。

上面的公式仅仅是把最初写的定性思考转化为数学公式。

在这里,将光学深度的微分项移到两边分开,并定义μ=cosθ,公式如下变化。

通过在两边乘以积分因子,得到了天文学和天体物理学导论中最后的公式。

3. 结论 - 理解传输方程的方法

1) 传输方程描述了天体内部光的传输情况。

2) 在恒星的内部,光的消光和发射同时发生。

3) 因此传输方程是将光的发射量减去消光量,再乘以光的通过距离。

其实准备考试的人也未必完全理解传输方程,只是定性地理解。

不断强调的是,与其背公式,不如理解其意义。

在下一篇文章中,我们将探讨如何在实际行星的大气中应用上述传输方程。

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