辐射通量密度

单位时间内，单位面积上所接受的辐射能量

辐射通量密度指单位时间内，单位面积上所接受的辐射能量。又称辐照通量密度。符号为E。通常用W/m2表示。为辐射气候学和辐射测量学中的一个基本量。在气象学文献中又常被称为辐射强度（radiant intensity），但辐射强度严格地说应为辐射源单位立体角上在单位时间内所发射出的辐射通量。两者有所区别。

定义

通过单位面积的辐射通量，SI单位为。等于包含有考虑的位点在内的无限小面积元上照射的辐射通量或辐射功率P除以此面积元的面积( 。当在考虑的面积上的辐射功率为常数时，可简化成：。其SI制单位为。对于不被靶物及其环境所散射或反射的垂直入射的平行光束而言，它和积分通量功率相当。

峰值

维恩位移定律描述辐射能量峰值波长随温度升高向短波长的方向偏移，它表明高温地物发射波长较短的电磁波，如火山喷溢出的熔岩流发射红光（波长介于600―700nm）；低温地物发射波长较长的电磁波；而介于两者之间的常温地物，如地物在绝对温度为290K时，则发射峰值波长为10μm的热红外线。因此，维思位移定律将有助于对所要探测的目标，选择传感器的最佳工作波段。

斯蒂芬-波尔兹曼定律指出黑体辐射通量与其绝对温度四次方成正比：。

地物的发射率

上述斯蒂芬济尔兹曼定律、维恩位移定律只适用于黑体辐射。但是在自然界中黑体辐射是不存在的，我们所见到的是一般地物，而一般地物的辐射要比黑体辐射小。如果利用黑体辐射的有关公式，则需增加一个因子，这个因子就是波谱比辐射率。所谓地物的波谱比辐射率是指地物单位面积上辐射通量与同一温度下同面积黑体辐射通量之比值。即

一般地物波谱比辐射率不仅与地面种类、表面状态、温度等有关，而且还与波长有关。因此，按波谱比辐射率与波长的不同关系，可以把辐射源分成三类。

①黑体或绝对黑体，其，不随波长变化。

②灰体，其 =常数<1，由基尔霍夫辐射定律可知其波谱吸收率为常数。

③选择性辐射体，其随波长而变化，而且<1，因而波谱吸收率也随波长变化，并且。

表示在同一温度下，每种辐射体发射率的情况。其中黑体的发射率最大（ε=1）。因此，黑体的光谱分布曲线是各种辐射体曲线的包络线。灰体的发射率是黑体的几分之一，为一个不变的分数，当灰体的发射率越接近于1时，它就越接近于黑体。选择性辐射体的发射率随波长变化，但是不管在那个波长，其发射率值都比黑体发射率小即。

基尔霍夫定律

在红外遥感系统设计中，可以把一些红外辐射体看成灰体（例如人体、喷气式飞机尾喷管、无动力空间飞行器、地球背景以及空间背景等），也可以在某些波段内把选择性辐射体看成灰体（如果发射率在这些波段内近似不变），这样就简化了计算工作。

基尔霍夫在研究辐射传输过程中发现：在任一给定的温度下，地物单位面积上的波谱辐射通量密度和对应波谱吸收率之比，对任何地物都是一个常数，并等于该温度下黑体对应的波谱辐射通量密度。这就是基尔霍夫定律。它可写成如下的数学形式：(黑体)。

这时基尔霍夫定律可写成：

这个定律的含义是，好的吸收体也是好的发射体。

以下简单地讨论地物的吸收率α和发射率ε之间的关系。

根据基尔霍夫定律，在一给定的温度下，任何地物的发射率，在数值上等于该温度下的吸收率。对于不透明地物来说，公式可写成：

由上述公式可写成：

上面公式对于任何地物的红外发射能量都可以采用。该式表明由于红外辐射能量与温度四次方成正比，所以只要地物微小的温度差异，就会引起红外辐射能量较显著变化。这种特征构成红外遥感的理论根据。该公式还表明地物辐射红外能量与它的发射率成正比。

黑体微波辐射

根据普朗克定律，任何地物在一定温度下，不仅向空间发射红外辐射，而且还发射微波辐射。地物的微波辐射基本上和红外辐射相似，符合热辐射定律。但微波是低温状态下地物的重要辐射特性。其特点是地物的温度越低，微波辐射也就越明显。

尽管微波辐射比红外辐射要弱得多，但可以用无线电通讯机经调谐和放大线路来接收。微波辐射在地学等领域正作为有力的探测手段，加速进行研究。

自然界中一般地物的温度在250K—350K左右，辐射的峰值波长在10μm附近。而微波波长比峰值值长大得多，因此在微波区域黑体辐射的微波功率可用瑞利一金斯公式近似代替普朗克公式（因为在波长较长的辐射区，瑞利—金斯公式比较符合实验结果），即式中：，Mν表示黑体单位表面积、单位时间和单位频率范围内所辐射的微波功率，单位是（瓦/米2·赫）；k为玻尔兹曼常数；T为绝对温度，单位是（K）；λ为波长，单位是（微米）。

公式表明黑体辐射的微波功率与温度成正比，与波长的平方成反比。而一般地物不是黑体，但它们的辐射功率，与同温度下黑体辐射的微波功率之间有一定的比例关系。

辐射通量

电学中有电通量概念，磁学中有磁通量概念，光学中不仅有光通量概念，还有辐射通量概念。对于前两个“通量”概念，大家都很熟悉，但对于后两个“通量”概念，有些人可能就不是那么熟悉了，特别是对光通量和辐射通量这两个非常相似的概念，很可能一时难以分清，甚至产生错觉：认为既然光是属于一定波长范围内的一种电磁辐射，那么，光通量就是辐射通量。他们殊不知光量是一个包含着主客观双重因素的物理量。

的确，光通量概念是起源于辐射通量概念，或者说，光通量概念是在辐射通量概念基础上发展、建立起来的，两者有着紧密的联系及相似点。因此，要能透彻理解光通量概念，还得先从辐射通量说起。

众所周知，光的传播过程也就是能量的传递过程，发光体（光源）在发光时要失去能量，而吸收到光的物体就要增加能量。发光体在单位时间内辐射出来的光（包括红外线、可见光和紫外线）的总能量就是光源的辐射通量。有时为了研究光源表面某一个面积元的辐射情况，又可以用面积元辐射通量概念。所谓面积元辐射通量就是单位时间内由该光源面积元实际传送出的所有波长的光能量，常用表示。由此可见，辐射通量是一个辐射度学中的纯客观物理量，它具有功率的量纲，常用单位是瓦特。例如，在地面上跟太阳光垂直的面上每平方米所得的太阳辐射通量是1320瓦特。

辐射通量虽然是一个反映光辐射强弱程度的客观物理量，但是，它并不能完整地反映出由光能量所引起的人们的主观感觉——视觉的强度（即明亮程度）。因为人的眼睛对于不同波长的光波具有不同的敏感度，不同波长的数量不相等的辐射通量可能引起相等的视觉强度，而相等的辐射通量的不同波长的光，却不能引起相同的视觉强度。例如，一个红色光源和一个绿色光源，若它们的辐射通量相同，则绿色光看上去要比红色光光亮些。具体是人眼对黄绿光最敏感，对红光和紫光较不敏感，而对红外光和紫外光，则无视觉反应。关于这方面知识的详细研究要引出一个视见函数概念，视见函数常以表示，它表示人眼对光的敏感程度随波长变化的关系。光度学上，把辐射通量与相应的视见函数的乘积称作为“光通量”，可用表示，即。因为人眼对波长为0.550微米的“绿色光”最敏感，故常把它作为标准，并把这个波长的视见函数定为1。这样，对于“绿色光”而言，其辐射通量就等于光通量，其他波长的视见函数都小于1，于是，光通量也就小于相应的辐射通量。显然，光通量也有功率的量纲，但其常用的单位是“流明”。流明和瓦特有着一定的对应关系（或称光功当量），经实验测定：当光波长为5550埃时，1瓦特相当于683流明，当光波长为6000埃时，1瓦特相当于391流明。由此可见，同样发出1流明的光通量，波长为6000埃光所需的辐射通量约为波长为5550埃光的1.75倍左右。

综上所述，尽管光通量与辐射通量的量纲相同，但是，辐射通量是一个辐射度学概念，是一个描述光源辐射强弱程度的客观物理量。而光通量是一个光度学概念，是一个属于把辐射通量与人眼的视觉特性联系起来评价的主观物理量。或者可以说，光通量是按光对人眼所激起的明亮感觉程度所估计的辐射通量。总之，光通量与辐射通量是两个不同的光学概念，决不能混为一谈。

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