Thermische Strahlung

Wärmestrahlung ist eine elektromagnetische Strahlung, die jeder Körper abhängig von seiner Temperatur emittiert (aussendet).

Eigenschaften

Wärmestrahlung ist, neben den weiteren Methoden Konvektion und Konduktion, ein Mechanismus zum Transport von thermischer Energie von einem Ort zu einem anderen und niemals mit dem Transport von Teilchen verknüpft, sondern mit der Ausbreitung von elektromagnetischen Wellen. Sie tritt im Gegensatz zu den beiden anderen Mechanismen auch im luftleeren Raum auf. Deshalb besteht auch im Weltraum die Möglichkeit, z. B. mittels Jalousien den Temperaturhaushalt von Raumfahrzeugen zu steuern.

Intensität

Durch den Satelliten COBE gemessene Wärmestrahlung des Weltalls der Temperatur 2,725 K

Mit zunehmender Temperatur eines Körpers steigt auch die Intensität seiner Wärmeabstrahlung drastisch an (siehe Stefan-Boltzmann-Gesetz), und das Emissionsmaximum verschiebt sich zu kürzeren Wellenlängen (siehe Wiensches Verschiebungsgesetz). Da das Emissionsmaximum bei Raumtemperatur bis zu Temperaturen von 3000 Kelvin im Infraroten liegt, wird Wärmestrahlung fälschlicherweise oft mit Infrarotstrahlung gleichgesetzt. Zur Erläuterung einige Beispiele von Körpern, deren Temperaturen sich sukzessive um den Faktor 10 verringern:

• Beginnen wir mit Sonnenlicht, das von der 5700 K heißen Oberfläche der Sonne abgestrahlt wird. Das Intensitätsmaximum liegt bei 500 nm, wir sehen es als grünes Licht.
• Jeder Quadratzentimeter der schwarzen Oberfläche eines 570 K (297 °C) heißen Ofens strahlt nur 1/10.000 der Leistung ab, die ein gleich großes Stück Sonnenoberfläche abstrahlen würde (siehe Stefan-Boltzmann-Gesetz). Das Intensitätsmaximum liegt bei 5 µm, also im Infraroten.
• Jeder Quadratzentimeter der schwarzen Oberfläche eines 57 K (−216 °C) kalten Körpers strahlt immer noch elektromagnetische Wellen ab! Aber nur 1/10.000 der Leistung des gleich großen Stückes Ofenoberfläche, also fast gar nichts. Das Intensitätsmaximum liegt nun bei 50 µm , das ist fernes Infrarot.
• Im Prinzip ändert sich nichts, wenn der Körper auf 5,7 K (−267 °C) tiefgekühlt wird. Die abgestrahlte Leistung sinkt nochmals um den Faktor 10.000 und das Intensitätsmaximum liegt bei 0,5 mm – fast schon im Radarbereich. Mit sehr empfindlichen Empfängern der Radioastronomie könnte man da ein sehr schwaches Rauschen feststellen.
• Zuletzt noch ein Stern mit der besonders hohen Temperatur 57.000 K. Er strahlt pro Quadratzentimeter seiner Oberfläche 10.000-mal so viel Leistung ab wie unsere Sonne, das Intensitätsmaximum liegt bei 50 nm, das ist UV-C. Berechnet man mit dem Stefan-Boltzmann-Gesetz die abgestrahlte Leistung pro Quadratzentimeter, erhält man den beachtlich großen Wert von 60 MW – die Leistung eines kleinen Kraftwerkes!

Von diesen fünf Beispielen zur Wärmestrahlung ist nur eines in unserer engeren Umwelt üblich: der heiße Ofen. Und weil der den größten Teil seiner Strahlung im IR-Bereich sendet, kommt es zur oben erwähnten irrtümlichen Gleichsetzung.

Einflussnahme verschiedener Körperoberflächen

Einen starken Einfluss auf die abgestrahlte Intensität hat auch die Oberflächenbeschaffenheit des Körpers. Diese wird durch den Emissionsgrad charakterisiert, der bei Spiegeln fast null ist und sein Maximum bei mattschwarzen Oberflächen erreicht. Soll die Temperatur berührungslos durch Thermografie bestimmt werden, kann durch Fehleinschätzung des Emissionsgrades ein gewaltiger Fehler entstehen, wie hier gezeigt wird.

Die Wärmeabstrahlung der Erdoberfläche mit einem Emissionsmaximum bei einer Wellenlänge von 8 bis 10 µm ist verantwortlich für den Temperaturhaushalt der Erde, sie bewirkt die Abkühlung der Erdoberfläche in klaren Nächten durch Abstrahlung in den Weltraum. Vor allem Wolken und Wasserdampf, in geringerem Maße auch Gase wie Kohlendioxid und weitere sogenannte Treibhausgase sind für diese Strahlung intransparent (siehe: Atmosphärisches Fenster) und verringern oder verhindern diese Abkühlung durch Reflexion oder Remission (siehe auch Treibhaus, Treibhauseffekt).

Von besonderer Bedeutung ist in der Physik das Konzept des schwarzen Strahlers, eines Emitters und Absorbers von Wärmestrahlung, der einen Emissions- bzw. Absorptionsgrad von eins hat. Hält man einen solchen Absorber mit einem Thermostat im thermischen Gleichgewicht mit seiner Umgebung, kann man über dessen Wärmeaufnahme die Strahlungsleistung thermischer und nichtthermischer Strahlungsquellen bestimmen.

Im Gegensatz dazu liegt z. B. das Maximum der Wärme- bzw. Temperaturstrahlung der Sonne (Oberflächentemperatur 5700 K) im sichtbaren Bereich, für bestimmte galaktische Kerne sogar im Röntgenbereich des elektromagnetischen Spektrums.

Effekte

Beim Auftreffen von Wärmestrahlung auf einen Körper kann

1. die Strahlung teilweise durchgelassen (transmittiert) werden
2. die Strahlung teilweise reflektiert werden
3. die Strahlung teilweise absorbiert, das heißt vom Körper aufgenommen und in Wärme umgewandelt, werden.

Diese drei Effekte werden mit dem Transmissions-, Reflexions-, und Absorptionskoeffizienten quantifiziert.

Der Absorptionskoeffizient gleicht dem Emissionsgrad, d. h., eine Oberfläche mit einem Emissions- bzw. Absorptionsgrad von 0,5 absorbiert 50 % der einfallenden Strahlung, emittiert jedoch bei gegebener Temperatur gegenüber einem schwarzen Strahler auch nur die Hälfte der Wärmestrahlung.

Schwarz eloxierte Aluminiumkühlkörper zur Wärmeabstrahlung

Die Wärmeabstrahlung lässt sich durch die Verwendung blanker Metalloberflächen verringern (Beispiele: Metallschichten an Rettungsdecken und Isoliertaschen, Verspiegelung in Thermoskannen und Superisolation).

Um die Wärmeabstrahlung eines metallischen Körpers zu erhöhen, kann man ihn mit einer im relevanten Wellenlängenbereich „dunklen“, matten Beschichtung versehen:

• Lackierung von Heizkörpern mit Farbe, die im IR gut Strahlung emittiert.
• Schwarze Eloxierung von Aluminiumkühlkörpern wie im Bild rechts.
• Emaillierung von Ofenrohren und Metallöfen
• Dunkle Abstrahlflächen bei Nuklearstromquellen von Satelliten

Die Farbe solcher Schichten gilt nur für den relativ schmalen Bereich des sichtbaren Lichtes und ist für die Wärmestrahlung ohne Bedeutung.

Siehe auch

• Strahlungsaustausch
• Kirchhoffsches Strahlungsgesetz
• Plancksches Strahlungsgesetz
• Strahlungstransport

Weblinks

• Physik der Wärmestrahlung. Auf: Webgeo, abgerufen am 25. Feb. 2009 (E-Learning-Seite für Geographie und Nachbarwissenschaften)