1. Физические основы

Принципы излучения (1/2)

Принципы излучения важны для понимания теплового излучения, которое испускается любым телом и зависит от его температуры и свойств материала. Основную роль здесь играют коэффициенты поглощения и испускания излучения и их взаимосвязь, устанавливаемая законом Кирхгофа.

Температурная зависимость испускаемого излучения определяется законом Стефана-Больцмана. Излучение испускается в виде электромагнитных волн, их интенсивность при этом является функцией длины волны. Максимум испускания теплового излучения объясняется законом смещения Вина, в то время как форма всего спектра определяется законом Планка.

Закон Кирхгофа

Коэффициент испускания ε обозначает способность тела испускать тепловое излучение, это величина, меняющаяся от 0 (никакого испускания) до 1 (наибольшее возможное испускание). Коэффициент поглощения α тела обозначает его способность поглощать падающее на него излучение. Он определяется как

α = поглощённое излучение/падающее излучение

и меняется от 0 до 1, где 1 соответствует полному поглощению, а 0 - полному отражению или пропусканию.

Закон Кирхгофа, открытый в 1859, утверждает:

α=ε,

коэффициенты поглощения и испускания тел одинаковы. Таким образом, тела, поглощающие всё падающее излучение (α=1), имеют наибольшую эффективность теплового испускания (ε=1). Они обозначаются как абсолютно чёрные тела, при этом термин чёрные обозначает, что отсутствует отражённое излучение. Тела, поглощающие только часть падающего излучения, (α<1) называются серыми телами.

Коэффициенты поглощения и испускания зависят от длины волны в случае избирательного излучателя. Высокие или низкие коэффициенты поглощения объекта в различных областях спектра соответствуют высоким или низким коэффициентам испускания в тех же областях спектра. Таким образом, обобощённый закон Кирхгофа может быть записан в следующем виде:

αλ=ελ


The Earth in VIS and thermal IR
Земля в видимом свете (слева) и в тепловом инфракрасном диапазоне (справа) по данным с Meteosat, 2004 год.
Источник: Beckel 2007

Закон Стефана-Больцмана

Этот закон, теоретически полученный Джозефом Стефаном в 1879 и экспериментально подтверждённый Людвигом Больцманом в 1884, объясняет температурную зависимость интенсивности теплового излучения объекта. Она резко увеличивается при увеличении абсолютной температуры T в градусах Кельвина (K). Плотность потока энергии излучения M, представляющая собой мощность излучения от поверхности тела и измеряемая в W/(m2), определяется как:

M=ε σ T4

где константа Стефана-Больцмана σ=5.7·10-8 W/(m2K). Например, увеличение абсолютной температуры тела в два раза усиливает температурное испускание в 16 раз.

Подобное изменение температуры также вызывает изменение спектра испускания, что объясняется законом Планка (см. следующую страницу).