Wärmestrahlung

Wärmestrahlung oder thermische Strahlung, seltener Temperaturstrahlung, ist elektromagnetische Strahlung, die Materie auf Grund ihrer Temperatur aussendet.

Spektrale Verteilung der Intensität der Schwarzkörperstrahlung bei unterschiedlichen Temperaturen. Die Temperatur der Sonne ist orange, die Umgebungstemperatur rot gekennzeichnet. Die Fläche unterhalb einer Kurve ist ein Maß für die abgestrahlte Leistung bei der jeweiligen Temperatur.

Die Wärmestrahlung wird emittiert von Festkörpern und Flüssigkeiten, aber auch von Gasen bzw. Plasma bei sehr hohem Druck. Das Spektrum dieser Strahlung ist kontinuierlich. Es hat, wenn die strahlende Fläche für alle Wellenlängen absolut schwarz ist, einen vom Material unabhängigen Verlauf, der durch das plancksche Strahlungsgesetz beschrieben wird. Im Gegensatz dazu emittieren Gase und Plasma bei geringem Druck ein für das Material charakteristisches Linienspektrum.

Wärmestrahlung ist neben Konvektion und Wärmeleitung ein Weg zur Übertragung von thermischer Energie. Im Gegensatz zu Konvektion und Wärmeleitung tritt Wärmestrahlung auch im Vakuum auf, Voraussetzung ist die Möglichkeit der Ausbreitung von elektromagnetischen Wellen.

Weil bei üblichen Temperaturen das Strahlungsmaximum im infraroten Bereich liegt, wird umgangssprachlich unter Wärmestrahlung meist nur infrarote Strahlung verstanden, die nicht sichtbar ist. Jedoch verschiebt sich mit steigender Temperatur das Strahlungsmaximum der Wärmestrahlung zu kürzeren Wellenlängen, beim Sonnenlicht z. B. in den sichtbaren Bereich und mit Ausläufern bis ins Ultraviolett.

Entstehung

Elektromagnetische Wellen im Spektralbereich des infraroten Lichtes können durch unterschiedliche Ursachen entstehen:

• Spontane Emission: Spektrallinien können nur in verdünnten Gasen entstehen, wenn sich der Energiezustand eines Atoms sprungartig ändert und das Atom während der Zeitdauer der Energieabstrahlung „in Ruhe gelassen“ wird. Das ist bei hohem Druck, wie beispielsweise in Höchstdrucklampen und beim Xenonlicht, nicht der Fall, weshalb auch keine wohldefinierten Spektrallinien mehr gemessen werden können (Druckverbreiterung), erst recht nicht mehr bei Festkörpern.
• Bremsstrahlung: Elektromagnetische Wellen entstehen auch, wenn Ladungsträger stark beschleunigt werden. Das geschieht beispielsweise im Plasma der Sonne. Über die Wellenlänge dieser Bremsstrahlung lassen sich nur statistische Aussagen machen, vor allem dann, wenn sich sehr viele Ladungsträger (meist Elektronen, im Sonnenplasma aber auch Protonen und andere geladene Teilchen) in unterschiedliche Richtungen bewegen und unterschiedlichen Bremskräften ausgesetzt sind. Dementsprechend wird bei der Herleitung des planckschen Strahlungsgesetzes nicht auf die Eigenschaften einzelner Atome zurückgegriffen.

Experimentell ist gesichert, dass die thermische Strahlung materialunabhängig ist. Wären Quantensprünge in einzelnen Atomen die Ursache der Strahlung, so würden sie aber nur – wie bei den Spektrallinien – charakteristische Strahlungsenergien emittieren. Bei tiefen Temperaturen wäre zudem nicht genügend Anregungsenergie vorhanden, um ein einzelnes Atom in einen höheren Energiezustand zu versetzen.

Die thermische Strahlung kommt durch die Schwingungsanregung (Wärmebewegung) der Gitterbausteine des strahlenden Körpers bzw. von Molekülschwingungen zustande. Daneben absorbieren und emittieren die Leitungselektronen von Metallen im Kristallgitter, im Plasma sind es die ungebundenen, frei fliegenden Elektronen.

Unterschied zu anderen Strahlungsarten

Von Wärmestrahlung spricht man nur dann, wenn die Energie zur Erzeugung der Strahlung aus der inneren Energie der Objekte, welche die Strahlung erzeugen, entnommen wurde. Das erkennt man vor allem an folgenden Kennzeichen:

Die Intensität als Funktion der Wellenlänge muss – mit vernachlässigbaren Abweichungen – dem planckschen Strahlungsgesetz gehorchen. Dabei kommt es nicht auf die Lage des Maximums an, dieses kann wie beim Mikrowellenhintergrund des Kosmos auch im Radarbereich liegen und einer außerordentlich tiefen Temperatur entsprechen. Ausschlaggebend ist nur die Kurvenform, die keine auffälligen Spitzen (Spektrallinien) oder Dellen aufweisen darf.

Ein weiteres Kriterium ist die Befolgung des Stefan-Boltzmann-Gesetzes: Bei Verdoppelung der Temperatur des Licht aussendenden Körpers steigt die abgegebene Strahlungsleistung somit um den Faktor 16. Das gilt in guter Näherung beispielsweise für Glühlampen, nicht aber für Energiesparlampen.

Die strahlende Oberfläche muss alle Eigenschaften eines schwarzen Körpers besitzen, insbesondere muss sie auch Wärmestrahlung (zumindest in einem sehr breiten Wellenlängenbereich) absorbieren können.

Negativbeispiele, die mindestens ein Kriterium verletzen (also Strahlung, die nicht als Wärmestrahlung bezeichnet wird):

• Im Mikrowellenherd wird die Energie in Form von Strahlung einer Frequenz (2,45 GHz) eingestrahlt, was im Spektrum einer einzigen Linie entspricht. Auch der Umstand, dass man damit tatsächlich Wasser erwärmen kann, ändert nichts daran, dass es sich nicht um Wärmestrahlung handelt. Das sendende Magnetron kann keine HF-Strahlung absorbieren.
• Gleiches trifft auch auf einen leistungsstarken Kohlendioxidlaser zu: Obwohl man mit dessen intensivem Licht Metalle und Steine schmelzen kann, erzeugt er keine Wärmestrahlung, sondern extrem helles Licht der Wellenlänge 10,6 µm, das zufälligerweise im IR-Bereich liegt. Dass es keinen einfachen Zusammenhang zwischen Wellenlänge und Temperatur gibt, erkennt man schon beim Vergleich mit einem Laserpointer: Obwohl dessen Wellenlänge etwa um den Faktor 20 kleiner ist und deshalb jedes Photon die zwanzigfache Energie transportiert, kann man damit keine Metalle schmelzen.
• Das Spektrum einer Röntgenröhre besteht aus der Bremsstrahlung und zusätzlichen auffälligen Spektrallinien bei bestimmten Wellenlängen. Die Intensität der Bremsstrahlung zeigt einen ähnlichen „Buckel“ wie die Wärmestrahlung; dessen Form weicht aber erheblich vom planckschen Strahlungsgesetz ab und besitzt außerdem (im Gegensatz zur Wärmestrahlung) eine obere Grenzfrequenz. Deshalb ist Bremsstrahlung keine thermische Strahlung.
• Das Spektrum von Leuchtstofflampen jeglicher Bauart und vor allem Natriumdampflampen besitzt nicht die geringste Ähnlichkeit mit dem planckschen Strahlungsgesetz. Das Material dieser Lichterzeuger wird so gewählt, dass möglichst viel Leistung im sichtbaren Bereich abgestrahlt wird und möglichst wenig im Infrarotbereich. Nur dadurch kann der gewünschte hohe Wirkungsgrad erzielt werden. Weil diese Lampen zwar Licht, aber keine Wärmestrahlung erzeugen, können Farbverfälschungen beleuchteter Gegenstände vorkommen, das Licht wirkt oft kalt.

Praktische Unterscheidung

Durch Vergleichsmessung benachbarter Wellenlängen kann man entscheiden, ob eine Lichtquelle „thermisch“ oder „nicht-thermisch“ ist und so auf die Erzeugungsart rückschließen. Das Ergebnis wird auch als Signatur einer Lichtquelle bezeichnet.

• Beispiel Kohlendioxidlaser: Filtert man unterschiedliche Wellenlängen wie beispielsweise 9 µm, 10,6 µm und 13 µm, misst man nur bei 10,6 µm nennenswerte Lichtleistung. Kein thermischer Strahler kann solch ein enges Spektrum erzeugen.
• Wiederholt man die Messung an einer Glühlampe, wird man drei Ergebnisse erhalten, die sich kaum unterscheiden, weil der "Buckel" der Planckschen Strahlungskurve in diesem Bereich relativ flach verläuft. Das ist ein starkes Indiz für einen thermischen Strahler, weil man kaum Gasentladungslampen mit so großer Linienbreite bauen kann. Im Zweifelsfall müssen bei anderen Wellenlängen Ergänzungsmessungen durchgeführt werden.

Solche Vergleichsmessungen führen die Infrarotsuchköpfe von Lenkwaffen aus, um zwischen heißen Triebwerken von Flugzeugen und Täuschkörpern zu unterscheiden, deren Licht eher die nichtthermische, also bunte Signatur eines Feuerwerks besitzen.

In der Radioastronomie und bei SETI wird ständig nach nicht-thermischen Signaturen gesucht: Die 21-cm-Linie des Wasserstoffs und die 1,35-cm-Linie des Wassermoleküls sind Arbeitsgrundlage für die meisten Forschungen. Die Wärmestrahlung benachbarter Planeten wie des Jupiter kann gemessen werden, bei Exoplaneten ist das noch nicht gelungen.

Berechnung

Der von einem Körper abgestrahlte Wärmestrom $\dot{Q}$ kann für einen Körper über das Stefan-Boltzmann-Gesetz wie folgt berechnet werden:

$\dot{Q} = \frac {\partial Q} {\partial t} = \varepsilon \, \sigma \, A \, T^4$

wobei

$\dot{Q}$ : Wärmestrom bzw. Strahlungsleistung

$\varepsilon$ : Emissionsgrad: Die Werte liegen zwischen 0 (perfekter Spiegel) und 1 (idealer Schwarzer Körper)

$\sigma = 5{,}67 \cdot 10^{-8}~\mathrm{\frac{W }{m^2\, K^4}}$: Stefan-Boltzmann-Konstante

$A$ : Oberfläche des abstrahlenden Körpers

$T$ : Temperatur des abstrahlenden Körpers (in Kelvin)

Intensität

Das durch den Satelliten COBE gemessene Spektrum des Mikrowellenhintergrunds entspricht dem eines schwarzen Strahlers mit der Temperatur von 2,725 K

Mit zunehmender Temperatur eines Körpers steigt auch die Intensität seiner Wärmeabstrahlung drastisch an, und das Emissionsmaximum verschiebt sich zu kürzeren Wellenlängen (siehe Wiensches Verschiebungsgesetz). Da das Emissionsmaximum bei Raumtemperatur bis zu Temperaturen von 3000 K 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:

• Zuerst ein „Weißer Zwerg“, also ein Stern mit der besonders hohen Oberflächentemperatur 57.000 K. Er strahlt pro Flächeneinheit seiner Oberfläche 10.000-mal so viel Leistung ab wie unsere Sonne, das Intensitätsmaximum liegt bei 50 nm, das ist Ultraviolettstrahlung. Das Stefan-Boltzmann-Gesetz liefert eine abgestrahlte Leistung pro Quadratzentimeter von 60 MW – die Leistung eines kleinen Kraftwerkes.
• Sonnenlicht wird von der 5700 K heißen Oberfläche der Sonne abgestrahlt. Das Intensitätsmaximum liegt bei 500 nm im grünen Bereich des elektromagnetischen Spektrums. Die abgestrahlte Leistung pro Quadratzentimeter beträgt 6 kW – das entspricht etwa der Heizleistung eines Einfamilienhauses im Winter.
• 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 elektromagnetische Wellen ab, deren Leistung 1/10.000 der des gleich großen Stückes Ofenoberfläche entspricht. Das Intensitätsmaximum liegt bei 50 µm im fernen 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 kann ein sehr schwaches Rauschen, die kosmische Hintergrundstrahlung, festgestellt werden.

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. Für bestimmte galaktische Kerne liegt das Maximum der Strahlung sogar im Röntgenbereich des elektromagnetischen Spektrums.

Einflussnahme verschiedener Körperoberflächen

Die Senderöhre 3-500 C besitzt eine Anode aus Graphit, da die graue Farbe und die raue Oberfläche die Wärme gut abstrahlt

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.

Da das Emissionsmaximum der Wärmeabstrahlung der Erdoberfläche bei einer Wellenlänge von 8 bis 10 µm liegt und zufällig mit dem Absorbtionsminimum der Luft zusammenfällt, kühlt sich die Erdoberfläche in klaren Nächten durch Wärmeabstrahlung in den Weltraum ab. Vor allem Wolken und Wasserdampf, in geringerem Maße auch sogenannte Treibhausgase wie Kohlendioxid sind für diese Strahlung intransparent; sie verringern oder verhindern diese Abkühlung durch Reflexion oder Remission (siehe auch Treibhaus, Treibhauseffekt). Die Anteile dieser Gase beeinflussen den Temperaturhaushalt der Erde.

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.

Wärmestrahlung des Menschen

Manche Materialien wie Polyäthylenfolien sind im IR-Bereich transparent, im sichtbaren Bereich aber undurchsichtig.

Bei anderen Materialien wie Glas ist es genau umgekehrt, wie das Brillenglas zeigt.

Wie jede andere Materie mit vergleichbarer Temperatur strahlt der menschliche Körper einen großen Teil der durch die Nahrung aufgenommenen Energie durch thermische Strahlung, hier im Wesentlichen infrarotes Licht, wieder ab. Durch infrarotes Licht kann aber auch Energie aufgenommen werden, wie man beispielsweise bei Annäherung an ein Lagerfeuer erkennt. Die Differenz zwischen emittierter und absorbierter Wärmestrahlung:

$P_\mathrm{netto}=P_\mathrm{emittiert}-P_\mathrm{absorbiert} \,$

entspricht wegen des Stefan-Boltzmann-Gesetzes einem Unterschied der Temperatur zwischen dem menschlichen Körper und der äußeren Strahlungsquelle:

$P_{\rm netto}=A\sigma \varepsilon \left( T^4 - T_0^4 \right)$

Die gesamte Oberfläche A eines Erwachsenen beträgt etwa 2 m², die Emissionsgrade ε von Haut und Kleidung erreichen im IR-Bereich annähernd den Wert 1.

Die Hauttemperatur T liegt bei 33 °C, an der Oberfläche der Kleidung misst man aber nur etwa 28 °C. Bei einer mittleren Umgebungstemperatur von 20 °C errechnet sich ein Strahlungsverlust von

$P_{\rm netto} = 100 \ \mathrm{W}.$

Neben der Wärmestrahlung verliert der Körper Energie auch durch Konvektion und Verdunstung von Wasser in der Lunge und Schweiß auf der Haut. Abschätzungen ergeben, dass „im Ruhezustand“, also ohne körperliche Belastung und bei Windstille, etwa 2/3 der aufgenommenen Energie durch Wärmestrahlung abgegeben wird.

Berechnet man mit Hilfe des Wienschen Verschiebungsgesetzes die mittlere Wellenlänge der abgestrahlten IR-Strahlung erhält man

$\lambda_{\rm peak} = \frac{2,898\cdot 10^6 \ \mathrm{K} \cdot \mathrm{nm}}{305 \ \mathrm{K}} = 9,50 \ \mu\mathrm{m}.$

Wärmebildkameras sollen deshalb im Bereich 7–14 µm besonders empfindlich sein.

Anwendungen

→ Hauptartikel: Thermografie

Fussbodenheizung unter Keramikfliesen. Der Fotograf sass unmittelbar vor der Aufnahme auf dem Sessel vor dem Laptop.

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 hellgraue Oberfläche mit einem Emissions- bzw. Absorptionsgrad von 0,3 absorbiert 30 % der einfallenden Strahlung, emittiert jedoch bei gegebener Temperatur gegenüber einem schwarzen Strahler auch nur 30 % der Wärmestrahlung.

Schwarz eloxierte Aluminiumkühlkörper zur Wärmeabstrahlung

Die Wärmeabstrahlung lässt sich durch die Verwendung blanker Metalloberflächen verringern (Beispiele: Metallschichten an Rettungsdecken und Isoliertaschen, Verspiegelungen von Dewargefäßen (z. B. 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 Infrarotbereich 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.

Mit Hilfe von Wärmebildkameras lassen sich unerwünschte Wärmeverluste an Gebäuden aufspüren; im Mauerwerk verborgene Warm- oder Kaltwasserleitungen lassen sich recht genau lokalisieren.

Die Körpertemperatur von Säugetieren ist fast immer höher als die Umgebungstemperatur (außer beispielsweise in der Sauna), weshalb sich die Wärmestrahlung ihres Körpers deutlich von der Umgebungsstrahlung abhebt. Da manche Schlangen mindestens zwei Grubenorgane mit bemerkenswert hoher Temperaturauflösung von bis zu 0,003 °C besitzen, können sie auch bei Nacht ihre warmblütige Beute ausreichend genau lokalisieren. Zielsuchsysteme selbstlenkender Raketen-Waffen lösen vergleichbare Aufgaben.

Siehe auch

• Strahlungsaustausch
• Kirchhoffsches Strahlungsgesetz
• Strahlungstransport

Weblinks

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