恆星結構與核能

輻射能量輸運

/ RAY-dee-uh-tiv /

能量在恒星核心誕生,必須設法抵達表面,才能作為星光逃逸出去。它前行的兩條途徑之一是輻射——也就是以光本身的形式,由光子把能量一路向外傳遞。但恒星內部絕非清澈:它是一片由帶電粒子組成的濃霧,所以光子無法筆直飛出。它只能被吸收、再發射,一次又一次,以緩慢踉蹌的隨機遊走向外飄移。輻射能量輸運,指的就是這種由光攜帶、穿過恒星濃霧的能量洩漏。

由於氣體如此不透明,這段旅程慢得驚人。在太陽核心誕生的一個光子,平均只飛行不到一厘米就被吸收,隨即又朝隨機的新方向被重新發射出去。最終結果是:能量從核心滲到表面要花上數萬年,許多估計在 10^4 到 10^5 年量級——儘管它一旦終於逃出,光線只需八分多鐘就能跨過一億五千萬公里到達地球。每當溫度隨深度下降得足夠平緩、使這種光子擴散能擔起負荷時,熱量便以輻射的方式向外流動。

輻射輸運在氣體相對透明、溫度梯度平緩之處佔主導——對太陽而言,那就是介於融合核心與沸騰外層之間寬廣的中部「輻射區」。輻射搬運能量的效率,關鍵取決於氣體的不透明度:氣體越霧濛,輻射越難勝任;到某個程度,恒星便放棄輻射而開始沸騰,轉而採用對流。

今天下午曬暖你臉龐的陽光,從某種意義上說,是幾萬年前——猛獁象還在大地上漫遊的時候——在太陽核心裡產生的,直到剛剛才結束它向表面緩慢踉蹌的跋涉,再用八分鐘衝刺到地球。這趟旅程中漫長的那一段,就是輻射輸運。

能量靠輻射用上千年才爬出太陽,隨後只用幾分鐘便奔向地球。

「數千年」這個數字是光子擴散時間,本身就有很大的不確定性;它是一場緩慢的隨機遊走,而非固定的延遲。而且出來的光子並不是當初出發的那些光子——傳出的是能量,而非原封不動的同一批光子。

又稱
radiative transferradiative diffusion辐射输运辐射转移