Wärmestrahlung

Jeder Gegenstand gibt Wärmestrahlung ab - gut erkennbar in der Wärmebildaufnahme (das Gesicht und die Hand, beide warm, strahlen am meisten Wärme ab). Bei der Wärmestrahlung handelt sich um elektromagnetische Wellen: Wie wir schon dargestellt haben, ist thermische Energie vor allem ungeordnete Bewegungsenergie der Moleküle; diese tragen Ladungen. Und bewegte Ladungen sind eine Quelle von elektromagnetischen Wellen. Deren Spektrum erstreckt sich von ganz tiefen Frequenzen („Langwelle“) über Radio, Fernseh- und Mobilfunkbänder sowie Mikrowellen, Infrarot, dem sichtbaren Licht bis zu Ultraviolett, Röntgenstrahlung und der „harten“ $\gamma$-Strahlung (vgl. Grafik; nm = nanometer = 10^-9 m = 0,000 001 mm; diese Abmessung liegt in der Größenordnung eines Atomdurchmessers).

Grafik: Das elektromagnetische Spektrum mit Hervorhebung des optischen Bereichs. Auf der x-Achse ist die Wellenlänge im log. Maßstab abgetragen (Quelle: NASA).

Physikalisch unterscheiden sich diese Wellen nur durch die Wellenlänge (bzw. die Frequenz). Es bestehen aber große Unterschiede z.B. bzgl. der „Sende“-Technik, der biologischen Wirkung⁴³⁾, der Wahrnehmung und technischen Anwendung.

…die das Verhalten des strahlenden Körpers beschreiben: Da ist zunächst die gesamte Strahlungsleistung $\dot{Q}$ eines Körpers: Das ist die abgestrahlte Energie pro Sekunde in der Einheit: Watt W. Die spezifische Ausstrahlung $\dot{q}$ ist Strahlungsleistung pro Flächeneinheit der abstrahlenden Oberfläche. Der Beitrag eines Flächenelementes d$A$ zur Gesamtstrahlung ist gegeben durch d$\dot{Q}$ = $\dot{q}$ d$A,$ die Maßeinheit ist [$\dot{q}$] = W/m². Die Strahlungsenergie kann sich auf einen ganzen Bereich von Wellenlängen verteilen. Die auf eine Wellenlänge konzentrierte Strahlung wird beschrieben durch die spektrale spezifische Ausstrahlung $\dot{q}_f$ . Diese Größe gibt an, wieviel Energie pro Flächeneinheit im Frequenzintervall zwischen $f$ und $f$ + d$f$ ausgestrahlt wird. Die spezifische Ausstrahlung ergibt sich als Summe (Integral) der spektralen spezifischen Ausstrahlung über alle Frequenzen.

Das Verhalten einer Oberfläche bzgl. Strahlung wird durch die Größen Reflexionsgrad (zurückgeworfene Strahlung), Absorptionsgrad (vom Körper aufgenommene⁴⁴⁾ Energie) und Transmissionsgrad (durchgelassene Strahlung, z.B. durch eine Fensterscheibe) sowie Emissionsgrad (von der Oberfläche selbst erzeugte Strahlung: 'Selbststrahler') beschrieben. Bezeichnet man die Strahlungsenergie pro Zeit und Flächeneinheit mit $\dot{q}$ so kann man folgende Größen definieren:

${\displaystyle \rho = \frac {\dot{q}_r}{\dot{q}_i} } $

Dabei steht r für reflektiert, i für einfallend (incident).

${\displaystyle \tau = \frac {\dot{q}_t}{\dot{q}_i}} $

(durchgehende = “transmittierte” Strahlungsleistung (t) dividiert durch einfallende Strahlungsleistung)

Absorptionsgrad:

${\displaystyle \alpha = \frac {\dot{q}_a}{\dot{q}_i}} $

(absorbierte Strahlungsleistung (a) bezogen auf die einfallende Strahlungsleistung)

Der Energieerhaltungssatz gilt auch hier

$\rho + \tau + \alpha =1 . $

Für reale Körper sind $\rho, \; \tau$ und $\alpha$ oft in hohem Maße von der Wellenlänge abhängig. Eine Glasscheibe hat z.B. einen hohen Transmissionsgrad für sichtbares Licht („kurze Wellenlängen“), hingegen einen großen Absorptionsgrad⁴⁵⁾ für Infrarotstrahlung (die wir in der Bauphysik “langwellige Strahlung” nennen).

Als Modellkörper für die Formulierung von Strahlungsgesetzen dient der sogenannte “Schwarze Körper” ⁴⁶⁾. Er ist dadurch definiert, dass sein Absorptionsgrad für alle Wellenlängen gleich eins ist. D.h. jede auftreffende Strahlung wird von ihm vollständig absorbiert. Es wird nichts reflektiert oder durchgelassen. Es stellt sich heraus (siehe später: Strahlungs-Versuche), dass die Strahlungseigenschaften eines Körpers eng mit dem Absorptionsverhalten verknüpft sind. Es stellt sich der ideale Absorber⁴⁷⁾ zugleich als idealer Strahler heraus.

Abb.: Mit im infraroten Spektralbereich empfindlichen Sensoren kann die Wärmestrahlung, die von Objekten in unserer Umgebung kommt, abgebildet werden (Thermographie-Kamera). Selbst ein sehr kalter Gegenstand strahlt noch Wärmestrahlung ab: Der Baum im Vordergrund ist bei -1 bis -2 °C noch gut erkennbar im Wärmebild (grün). Auch der Himmel strahlt: Hier bei -6°C (Farbe im diesem IR-Bild: blau)⁴⁸⁾. Der oben herausragende Schornstein strahlt schon mehr Wärmeenergie ab(im IR-Bild 'rot')).
Auch die Weltraumforschung verwendet Wärmebilder: Ein interessanter Link zu Infrarot-Astronomie: Infrared: More Than Your Eyes Can See. Übrigens: Selbst das bitter-streng-kalte Weltall (-270°C) strahlt noch Mikrowellen aus, diese Strahlung bildet den sogenannten kosmischen Mikrowellenhintergrund.

Vor dem Hintergrund der Bilder mit der Wärmestrahlungs-Kamera („Thermographie“) sind hier drei Bemerkungen von hoher Bedeutung - das ist uns oftmals nicht bewusst, weil diese Bilder, vor allem wenn schwarz-weiß dargestellt, Bildern visueller Fotographien ziemlich ähnlich sind:

• Was wir mit der Thermographie-Kamera (empfindlich bei ca. 5 bis 17 µm) sehen, ist die Wärmestrahlung, die von den beobachteten Objekten erzeugt wird - es handelt sich⁴⁹⁾ um Eigenstrahler. So wie z.B. im visuellen die Sonnenscheibe oder eine Glühlampe. Bei der Wärmestrahlung im mittleren Infrarot sind alle Objekte sozusagen 'Licht'-quellen, aber nicht für sichtbares Licht, sondern für das Infrarot-Licht. Die Unterschiede zwischen den genannten Strahlern liegen allein in deren Temperatur und damit in dem Frequenzbereich, in welchem der Hauptteil der elektromagnetischen Wellen erzeugt wird. Im „normalen Licht“ sehen wir dagegen überwiegend (außer bei der direkt von den Licht„quellen“) Strahlung, welche von den vom Licht getroffenen Oberflächen reflektiert wird. Die thermische Strahlung lässt sich daher auch nicht einfach „abschalten“; mit einer Infrarotkamera sieht der Jäger in der Nacht das Wild auf Grund von dessen Eigenstrahlung! Fahrzeuge (heiße Motoren) und Personen (warme Körperoberflächen) sind daher im mittleren Infrarot immer⁵⁰⁾ erkennbar.
• Die spezifische Ausstrahlung der uns umgebenden Gegenstände ist auch keinesfalls „klein“ im Vergleich zu anderen Energieströmen⁵¹⁾. Wir stellen hier schon einmal fest, dass bei den normalen Temperaturen unserer Umgebung die flächenspezifische Abstrahlung zwischen um 350 und 550 W/m² liegt. Im Raum um uns herum wimmelt es geradezu von Wärmestrahlung; wir spüren diese Strahlung mit den Wärmesensoren unserer Haut - sind uns aber gar nicht bewusst, dass es Wärmestrahlung ist, was wir da spüren. Vor diesem Hintergrund können sich sicher einige von uns an einen spätabendlichen Spaziergang im Sommer erinnern, bei dem wir an einer schweren gemauerten, dunkel gefärbten Wand vorbeikamen: Die strahlte uns nämlich, trotz frischer Brise, deutlich spürbar sehr warm an. Auch die Glut eines Lagerfeuers⁵²⁾ macht die Strahlung spürbar.
• Und natürlich wird auch thermische Strahlung an den Oberflächen der uns umgebenden Körper reflektiert: In aller Regel diffus, weil die Oberflächen rau sind, das ist wieder ganz ähnlich wie für das Licht im visuellen Spektralbereich; Glasscheiben sind „glatt wie poliert“ und daher können auf diesen regelmäßig auch Reflexionen von anderen thermisch strahlenden Körpern gesehen werden. Einen Unterschied zur Umgebung im sichtbaren Licht gibt es hier aber dennoch noch: Die Reflexionsgrade der Oberflächen für das mittlere und ferne IR sind in aller Regel sehr gering⁵³⁾, in einem Bereich von 2% bis 15%, die einzige Ausnahme bilden hier metallische Oberflächen, die wie gewohnt auch für die thermische Strahlung als Spiegel wirken. Während also auf den ersten Blick im Infraroten (weitgehend) alles doch so ähnlich wie im visuellen auszusehen scheint, ergeben sich bei genauer Betrachtung doch bedeutende Unterschiede.

Kleine Infrarot-Kameras sind heute, insbesondere als USB-Aufsteckgeräte, zu erschwinglichen Preisen erhältlich. Die haben heute noch in der Regel eine nur geringe räumliche Auflösung. Dennoch lässt sich damit unsere Umwelt in einem ganz anderen Spektralbereich erfahren. Vieles lässt sich mit diesen Kameras unmittelbar veranschaulichen. Das hat neben einer ganzen Reihe von technischen und für verschiedenste Zwecke nützlichen Anwendungen auch einen hohen pädagogischen Wert: Zeigt es uns doch, dass es neben der uns geläufigen Welt mit der Wahrnehmung durch die uns gegebenen Sinne noch gänzlich andere Wahrnehmungs-„Kanäle“ gibt, auf welchen weitere Eigenarten unserer Welt erkennbar sind, die uns sonst entgehen(Hier ist ein Link zu praktischen Hinweisen für die Thermographie).

Interessant ist, dass einige Tiere die Wärmesensoren zu sensibleren Sinnesorganen weiterentwickelt haben (Grubenorgane von Schlangen, siehe Abb. rechts, für diese nachtaktiven Jäger erfüllt das ja einen Zweck. Auch interessant ist, das bisher keine Art bekannt ist, die diese Wahrnehmung mit höherer Auflösung ähnlich einem Auge verwendet; in diesem Bereich ist die Ingenieurskunst heute schon den biologischen Systemen überlegen⁵⁴⁾ ).

In der Passipedia gibt es eine Reihe von Dokumenten, in denen Infrarot-Abbildungen von Gebäuden und Anlagen (von außen und von innen) gezeigt werden; aus diesen lässt sich eine Menge über die Mechanismen der des Wärmetransports und die mehr oder weniger guten Lösungen des Bauwesens lernen (hier als Beispiel der Link zur thermographischen Überprüfung einer Innendämmung: Innendämmung ist besser als ihr Ruf).

Bis auf Eis und Wasser sind die hier aufgeführten Oberflächen (bei Schichten > 0,5 mm) opak⁵⁵⁾ für die thermische Wärmestrahlung⁵⁶⁾; das gilt auch für das Material „Glas“ (normale Floatgläser), das ist im Infraroten weit überwiegend absorbierend und nur mit um 10% reflektierend. Durch ein normales Fensterglas kann daher Wärmestrahlung nicht direkt hindurchtreten: Vielmehr „passiert“ der Wärmestrom hier so: Die Wärmstrahlung aus dem Raum wird an der raumseitigen Glasoberfläche absorbiert, der Scheibe dadurch Wärme zugeführt. Jene wird durch Wärmeleitung auf die äußere Oberfläche der Scheibe weitergeleitet und dort dann erneut abgestrahlt (oder auch durch Wärmeleitung auf das Fluid auf der anderen Seite übertragen).

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