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Wär­me­strah­lung

Was ist Wärmestrahlung

Wär­me­strah­lung wird auch als ther­mi­sche Strah­lung bezeich­net. Zum Teil fin­det sich auch der Begriff Tem­pe­ra­tur­strah­lung in der Lite­ra­tur. Es han­delt sich hier­bei um eine elek­tro­ma­gne­ti­sche Strah­lung. Dort, wo die Strah­lung ent­steht, befin­det sie sich in einem ther­mi­schen Gleich­ge­wicht mit der Mate­rie. Die Emis­si­on der Wär­me­strah­lung erfolgt sowohl durch Fest­kör­per, Plas­men und Flüs­sig­kei­ten als auch durch gro­ße Gas­mas­sen. Das Maxi­mum erreicht die ther­mi­sche Strah­lung in Bezug auf ihre Wel­len­län­ge und die Tem­pe­ra­tur im soge­nann­ten Schwar­zen Kör­per. Beschrie­ben wird die­ser Zustand von dem planck­schen Strah­len­ge­setz, wel­ches aber in der Rea­li­tät so gut wie nie erreicht wird. Geht man von gewöhn­li­chen Tem­pe­ra­tu­ren aus, so liegt das Maxi­mum der Strah­lung im Bereich des Infra­rots. Dar­aus ergibt sich in der Pra­xis, dass für die Wär­me­strah­lung häu­fig syn­onym der Begriff Infra­rot­strah­lung ver­wen­det wird. Bei der ther­mi­schen Strah­lung kann jedoch beob­ach­tet wer­den, dass sich das Strah­lungs­ma­xi­mum ver­än­dert, wenn die Tem­pe­ra­tu­ren anstei­gen. Die Wel­len­län­gen wer­den dann kür­zer. Dies kann zum Bei­spiel beim Son­nen­licht beob­ach­tet wer­den. Der dar­auf fol­gen­de Effekt ist, dass die Strah­lung sicht­bar wird und bis in die ultra­vio­let­te Strah­lung rei­chen kann.

Ent­de­ckung

Ent­deckt wur­de die Wär­me­strah­lung 1800 durch den Astro­no­men Fried­rich Wil­helm Her­schel. Er mach­te einen Ver­such mit Ther­mo­me­tern. Er unter­such­te das Licht­spek­trum des Son­nen­lich­tes und stell­te fest, dass sich außer­halb des roten Bereichs des Ther­mo­me­ters eine höhe­re Tem­pe­ra­tur abzeich­ne­te. Dies ließ ihn schluss­fol­gern, dass es eine Strah­lung gibt, die nicht sicht­bar ist, aber trotz­dem Wär­me erzeugt. Er nann­te die­se Strah­lung Infra­rot­strah­lung. Infra­rot­licht basiert auf dem Prin­zip der Wärmestrahlung.

Die Ent­ste­hung

Die Wär­me­strah­lung gehört in den Bereich der Makro­sko­pie. Betei­ligt sind hier auf phy­si­ka­li­scher Ebe­ne zahl­rei­che Teil­chen und Ele­men­te. Wenn ein Kör­per eine aus­rei­chen­de Tem­pe­ra­tur auf­weist, kann er eine Wär­me­strah­lung erzeu­gen. Dies gilt sowohl für tech­ni­sche Gerä­te als auch für die Son­ne oder den Men­schen. Je höher die Aus­gangs­tem­pe­ra­tur ist, des­to stär­ker ist auch die ther­mi­sche Strahlung.

Mes­sung von Thermik

Es gibt neben der ther­mi­schen Strah­lung auch die nicht-ther­mi­sche Strah­lung. Hier­zu gehö­ren zum Bei­spiel die Mikro­wel­len, der Koh­len­di­oxid­la­ser, die Rönt­gen­strah­len oder auch die Leucht­stoff­lam­pe. Die Zuord­nung erhält man aus der Mes­sung der Inten­si­tät der Wel­len­län­gen. Dies wird auch als die Signa­tur des Lichts bezeichnet.

Inten­si­tä­ten der Wärmestrahlung

Die ther­mi­sche Strah­lung kann unter­schied­lich stark aus­ge­prägt sein. Dabei gilt: je höher die Tem­pe­ra­tur, des­to höher ist auch die Inten­si­tät. Die­ser Zusam­men­hang fin­det sich auch im Ste­fan-Boltz­mann-Gesetz wie­der. Gleich­zei­tig ver­kür­zen sich die Wel­len­län­gen. Ein Bei­spiel ist der Wei­ße Zwerg. Hier­bei han­delt es sich um einen Stern, des­sen Ober­flä­chen­tem­pe­ra­tur beson­ders hoch ist. Das Inten­si­täts­ma­xi­mum liegt im Bereich der ultra­vio­let­ten Strah­lung. Errech­net man die Strah­lungs­leis­tung, kommt man auf einen Wert von 60MW. Das ent­spricht der Leis­tung eines Kern­kraft­wer­kes. Bei der Son­ne wird das Licht von der Ober­flä­che abge­strahlt. Das Inten­si­täts­ma­xi­mum liegt hier im grü­nen Bereich. Die abge­strahl­te Leis­tung erreicht einen Wert von 6KW. Dies kann ver­gli­chen wer­den mit der Heiz­leis­tung eines Ein­fa­mi­li­en­hau­ses. Das drit­te Bei­spiel ist der Heiz­ofen. Hier liegt das Maxi­mum bei 5 New­ton­me­tern. Umgangs­sprach­lich wür­de man hier von der Infra­rot­strah­lung spre­chen. Dar­aus ergibt sich auch der Begriff Wär­me­strah­lung. Manch ein Stern kann hin­ge­gen eine Strah­lungs­in­ten­si­tät erzeu­gen, die im Rönt­gen­be­reich liegt.

Ein­fluss ver­schie­de­ner Körper

Ein­fluss auf die Strah­lung hat zum einen die Ober­flä­chen­be­schaf­fen­heit eines Kör­pers. Die Mes­sung erfolgt als Emis­si­ons­grad. Ein Spie­gel bei­spiels­wei­se hat einen Emis­si­ons­grad gen Null. Eine matt­schwar­ze Ober­flä­che hin­ge­gen kann maxi­ma­le Wer­te erzeu­gen. Hin­zu kommt noch Absorp­ti­on. Hier kommt bei­spiels­wei­se die Luft ins Spiel. Auch Wol­ken und Was­ser­dampf min­dern die Strah­lung, eben­so wie Gase. Hier­durch ver­än­dern sich auch die Tem­pe­ra­tu­ren auf der Erde. Wei­ter steht die­ser Wirk­zu­sam­men­hang auch in Ver­bin­dung mit dem soge­nann­ten Treib­haus­ef­fekt. Neben der Ober­flä­chen­be­schaf­fen­heit und der Art des Stof­fes hat auch die Dicke eines Kör­pers Ein­fluss auf die Wärmestrahlung.

Mensch und die ther­mi­sche Strahlung

Der Mensch gibt die durch die Nah­rung auf­ge­nom­me­ne Ener­gie in Form ther­mi­scher Strah­lung wie­der ab. Hier­bei han­delt es sich in der Regel um Infra­rot­strah­lung. Der mensch­li­che Kör­per kann aber auch Ener­gie auf­neh­men, wenn er sich bei­spiels­wei­se einer Wär­me­quel­le nähert. Dadurch ergibt sich eine Dif­fe­renz zwi­schen der absor­bier­ten und der emit­tie­ren­den Wär­me. Gene­rell kann der Kör­per die Strah­lung einer­seits durch­las­sen, also trans­mit­tie­ren, reflek­tie­ren oder auch absor­bie­ren. Im letz­te­ren Fall wird die Strah­lung in Wär­me­en­er­gie verwandelt.

Ein­fluss­nah­me auf die Strahlung

Der Effekt der Wär­me­ab­ga­be kann durch äuße­re Ein­flüs­se ver­än­dert wer­den. Ein typi­sches Bei­spiel sind Ret­tungs­de­cken. Blan­ke Metall­ober­flä­chen sor­gen dafür, dass weni­ger Wär­me aus­tre­ten kann. Daher wer­den Ret­tungs­de­cken mit einer Metall­be­schich­tung ver­se­hen. Der glei­che Effekt ergibt sich bei Iso­lier­ta­schen oder Ther­mos­kan­nen. Anders­her­um kann die Wär­me­ab­ga­be aber auch gestei­gert wer­den. Dazu muss man zu einer dunk­len und mat­ten Beschich­tung grei­fen. Beson­ders im Bereich der Hei­zun­gen und Öfen sorgt eine dunk­le Lackie­rung für eine ver­bes­ser­te Wärmestrahlung.

Wo wird Wär­me­strah­lung genutzt

Ein klas­si­schen Bei­spiel für die Ver­wen­dung ther­mi­scher Strah­lung sind Son­nen­kol­lek­to­ren oder Solar­zel­len. Ihre schwar­zen Flä­chen zie­hen die Wär­me und absor­bie­ren die­se. Öfen und Heiz­kör­per bedie­nen sich der Wär­me­strah­lung, um Gebäu­de zu erhit­zen. Beim Haus­bau kommt die ther­mi­sche Strah­lung im Zusam­men­hang mit der Iso­lie­rung auf den Plan. Daher wird alles, was die Wär­me mög­lichst abhal­ten soll, hell bzw. weiß gehal­ten. Dies gilt zum Bei­spiel auch für Kühl­schrän­ke oder Kühl­wa­gen oder für Häu­ser­wän­de. Wär­me­strah­lung in Form von Infra­rot­licht wird bei­spiels­wei­se in der Medi­zin ver­wen­det. Hier kom­men meist Infra­rot­lam­pen oder –kabi­nen zum Ein­satz. Das Infra­rot­licht hilft bei ver­schie­de­nen Lei­den wie Ent­zün­dun­gen der Mus­kel­schmer­zen. Wei­ter kann die Wär­me auch in Form von Infra­rot­strah­lern genutzt wer­den. Die­se kom­men in der Gastro­nomie zum Ein­satz oder auch in der Tier­zucht. Auch kön­nen die Eigen­schaf­ten der ther­mi­schen Strah­lung bzw. des Infra­rot für Wär­me­bild­ka­me­ras ver­wen­det wer­den. Wär­me­bild­ka­me­ras kön­nen bei der Begut­ach­tung von Gebäu­den ver­wen­det wer­den, um Wär­me­ver­lus­te sicht­bar wer­den zu las­sen. Mit Hil­fe von Wär­me­bild­ka­me­ras kann die Poli­zei aber auch Suchen durch­füh­ren, um Lebe­we­sen auf­zu­spü­ren. Im Bereich der Astro­lo­gie kommt die Wär­me­strah­lung zum Ein­satz, um Aste­ro­iden auf­zu­spü­ren und deren Tem­pe­ra­tur zu mes­sen. Dar­aus kann auf die Grö­ße des Exem­plars geschlos­sen wer­den. Mit­tels Wär­me­bild­ka­me­ras las­sen sich auch Bil­der schie­ßen, die auch in neb­li­ger Atmo­sphä­re scharf sind. Dane­ben fin­det man beson­ders die Infra­rot­strah­lung auch im Bereich der Tech­nik, der Kunst­wis­sen­schaf­ten, der Elek­tro­nik sowie der Vege­ta­ti­on als auch zur Ent­fer­nungs­mes­sung wie­der. Poli­zei und Mili­tär nut­zen zudem Nacht­sicht­ge­rä­te, die auf die­ser Tech­nik beru­hen. Auch bestimm­te Sicher­heits­do­ku­men­te und Geld­schei­ne erhal­ten Sicher­heits­merk­ma­le, die nur mit­tels Infra­rot ent­schlüs­selt wer­den kön­nen. In der Mate­ri­al­be­ar­bei­tung wer­den Infra­rot­la­se ein­ge­setzt zum Ver­schwei­ßen, Beschrif­ten, Aus­här­ten oder Zuschnei­den sowie zur Trock­nung von Ware.

Treib­haus­ef­fekt

In die­sem Zusam­men­hang wird die Wär­me­strah­lung zum Pro­blem. In der Atmo­sphä­re befin­den sich näm­lich so vie­le Gase, dass die von der Erde reflek­tier­te Wär­me die Luft­hül­le der Erde nicht mehr ver­las­sen kann. Dies führt zu einer glo­ba­len Auf­hei­zung. Je mehr CO2 pro­du­ziert und aus­ge­sto­ßen wird, des­to dich­ter wird der Man­tel, der sich über die Erde legt und die Wär­me spei­chert. Dies führt zu einer gene­rel­len Erwär­mung des Erdklimas.

Quel­len

Wär­me­strah­lung oder auch ther­mi­sche Strah­lung, sel­te­ner Tem­pe­ra­tur­strah­lung, ist elek­tro­ma­gne­ti­sche Strah­lung, die am Ort ihrer Ent­ste­hung im ther­mi­schen Gleich­ge­wicht mit Mate­rie ist. 

Inten­si­tät der Schwarz­kör­per­strah­lung in Abhän­gig­keit von der Wel­len­län­ge bei unter­schied­li­chen Tem­pe­ra­tu­ren (Ska­len loga­rith­misch). Der far­bi­ge Bal­ken mar­kiert den Bereich sicht­ba­ren Lichts. Die Kur­ve für die Son­nen­strah­lung an der Son­nen­ober­flä­che ist beige, für die Umge­bungs­tem­pe­ra­tur an der Erd­ober­flä­che rot. Man beach­te die star­ke Zunah­me der Inten­si­tät mit der Tem­pe­ra­tur und die Ver­schie­bung des Maxi­mums zu kür­ze­ren Wellenlängen.

Weil bei Ober­flä­chen, die nach All­tags­maß­stä­ben “heiß” sind, das Inten­si­täts­ma­xi­mum der Wär­me­strah­lung im infra­ro­ten Bereich liegt, wird umgangs­sprach­lich unter Wär­me­strah­lung meist nur die­se infra­ro­te (also nicht sicht­ba­re) Strah­lung ver­stan­den. Jedoch ver­schiebt sich mit stei­gen­der Tem­pe­ra­tur das Strah­lungs­ma­xi­mum der Wär­me­strah­lung zu immer kür­ze­ren Wel­len­län­gen, beim Son­nen­licht erreicht es z. B. den sicht­ba­ren Bereich mit Aus­läu­fern bis ins Ultra­vio­lett. Die Wär­me­strah­lung der Erde hin­ge­gen liegt, ihrer Ober­flä­chen­tem­pe­ra­tur ent­spre­chend, vor allem im mitt­le­ren Infra­rot (stärks­te Inten­si­tät bei einer Wel­len­län­ge von ca. 10 µm) – also bei erheb­lich grö­ße­ren Wellenlängen. 

Wär­me­strah­lung wird von allen Fest­kör­pern, Flüs­sig­kei­ten, Gasen und Plas­men emit­tiert, die sich in einem ange­reg­ten Zustand mit einer wohl­be­stimm­ten Tem­pe­ra­tur ober­halb des abso­lu­ten Null­punk­tes befin­den. Genau­so nimmt jeder Kör­per gleich­zei­tig von ande­ren Kör­pern aus­ge­sen­de­te Wär­me­strah­lung durch Absorp­ti­on auf (sie­he dazu Strah­lungs­aus­tausch), die Sum­me aus Wär­me­strah­lungs­emis­si­on und ‑absorp­ti­on wird Strah­lungs­bi­lanz genannt. 

Die höchs­te Wär­me­strah­lungs­emis­si­on (und ‑absorp­ti­on) zeigt bei allen Wel­len­län­gen und Tem­pe­ra­tu­ren der idea­le Schwar­ze Kör­per. Die von ihm emit­tier­te Strah­lung wird als Schwarz­kör­per­strah­lung bezeich­net. Das planck­sche Strah­lungs­ge­setz beschreibt die Inten­si­tät der Schwarz­kör­per­strah­lung in Abhän­gig­keit von der Wel­len­län­ge und der Tem­pe­ra­tur. Die­ses theo­re­ti­sche Maxi­mum wird von rea­len Kör­pern nicht voll­stän­dig erreicht. 

Emis­si­on und Absorp­ti­on von Wär­me­strah­lung ist neben Kon­vek­ti­on und Wär­me­lei­tung ein Weg zur Über­tra­gung von Wär­me, im Vaku­um ist es der ein­zi­ge Übertragungsweg. 

Geschich­te

Das Kon­zept von wär­men­den Strah­len war bereits in der Anti­ke bekannt, sie­he die (Legen­de der) Brenn­spie­gel des Archi­me­des (3. Jh. v. Chr. bzw. 2. Jh. n. Chr.). “Hei­li­ge Feu­er” wur­den mit fokus­sier­tem Son­nen­licht ent­zün­det.[1] Im 16. Jh. zeig­ten Giam­bat­tis­ta del­la Por­ta die “Refle­xi­on von Käl­te” und Fran­cis Bacon, dass auch von ledig­lich hei­ßen, nicht glü­hen­den oder bren­nen­den Kör­pern Wär­me­strah­len aus­ge­hen,[2] und im 17. Jh. blo­ckier­te Edme Mariot­te die­se unsicht­ba­re Strah­lung mit einer Glas­schei­be.[3] Zur Tem­pe­ra­tur­mes­sung dien­ten Ther­mo­sko­pe, luft­ge­füll­te Glas­rund­kol­ben mit Flüssigkeitsverschluss. 

Die­se Expe­ri­men­te wur­den oft wie­der­holt und ver­fei­nert, sodass die Mei­nun­gen aus­ein­an­der­ge­hen, wer zuerst einen Effekt über­zeu­gend demons­triert hat. Für die Refle­xi­on der ver­meint­li­chen Käl­te­strah­len sind das einer­seits um 1660 Schü­ler und Anhän­ger Gali­leo Gali­leis in der Acca­de­mia del Cimen­to,[2] bei denen das kal­te Objekt ein gro­ßer Hau­fen Schnee war, der auch anders als über Strah­lung auf das Ther­mo­skop gewirkt haben könn­te, wie die Expe­ri­men­ta­to­ren selbst­kri­tisch anmerk­ten. Sie sahen aller­dings einen deut­li­chen Tem­pe­ra­tur­an­stieg, wenn sie den auf den Schnee gerich­te­ten Hohl­spie­gel, in des­sen Fokus sich das Ther­mo­skop befand, abdeck­ten.[4] Ande­rer­seits sind das Marc-Augus­te Pic­tet und Hor­ace-Béné­dict de Saus­su­re,[5] die 1790 ein klei­nes kal­tes Objekt in den Fokus eines zwei­ten Hohl­spie­gels brach­ten; die auf­ein­an­der aus­ge­rich­te­ten Spie­gel konn­ten etli­che Meter von­ein­an­der ent­fernt sein.[6]

Zur Deu­tung, mahn­te Carl Wil­helm Schee­le 1777, müss­ten wei­te­re Beob­ach­tun­gen berück­sich­tigt wer­den:[7] Gegen den star­ken Luft­zug des Kamin­ef­fekts kommt die Wär­me­strah­lung zur Ofen­tü­re her­aus und wird auch nicht durch quer strö­men­de Luft abge­lenkt. Umge­kehrt steigt Rauch durch den Strahl völ­lig unbe­rührt auf und Son­nen­strah­len que­ren den Strahl ohne Schlie­ren­bil­dung. Metal­le­ne Spie­gel wer­den bei der Refle­xi­on der von ihm so genann­ten „strah­len­den Hit­ze“ nicht warm, durch einen war­men Luft­strom dage­gen schon. 

Im 18. und frü­hen 19. Jahr­hun­dert gab es über den Mecha­nis­mus der strah­len­den Hit­ze ver­schie­de­ne Vor­stel­lun­gen, deren Anhän­ger sich grob in Emis­sio­nis­ten und Undu­la­teu­re ein­tei­len lässt.[5] Für ers­te­re gaben war­me, teil­wei­se auch kal­te Kör­per etwas Stoff­li­ches ab, für letz­te­re gab es ein Medi­um, das Schwin­gun­gen über­trug. Pic­tet ten­dier­te zur gerich­te­ten Emis­si­on einer Feu­er­sub­stanz vom hei­ßen zum kal­ten Kör­per, die zwi­schen gleich war­men Kör­pern im Sin­ne eines sta­ti­schen Gleich­ge­wichts der soge­nann­ten ther­mo­me­tri­schen Span­nung zum Erlie­gen kommt. Er räum­te aber ein, dass die Schwin­gungs­hy­po­the­se sein Expe­ri­ment eben­so gut erklä­ren kön­ne. Pierre Pré­vost war eben­falls Emis­sio­nist, sprach aber von Hit­ze­par­ti­keln, die alle Kör­per stän­dig aus­sen­den, und dass „die stär­ke­ren Wär­me­strah­len hei­ße­rer Kör­per die schwä­che­ren [Wär­me­strah­len] käl­te­rer [Kör­per] über­win­den“.[8][9] Danach gäbe es kei­ne Käl­te­strah­lung, son­dern nur stär­ke­re oder schwä­che­re Wärmestrahlung. 

Ben­ja­min Thomp­son ali­as Count Rum­ford war zeit­le­bens Undu­la­teur. Er hielt es für unmög­lich, dass ein Kör­per gleich­zei­tig Hit­ze­s­ub­stanz sowohl emp­fan­gen und auf­neh­men als auch fort­trei­ben könn­te.[10] Er führ­te auch einen ver­meint­lich über­zeu­gen­den expe­ri­men­tel­len Befund an. Er hat­te ent­deckt, dass ein dün­nes Lei­nen­tuch um einen blan­ken Metall­zy­lin­der (oder ein dün­ner Anstrich mit Fir­nis, eine Ruß­schicht etc.) die­sen schnel­ler abküh­len ließ, indem es die Wär­me­ab­strah­lung ver­stärk­te. Glei­ches galt für einen sich erwär­men­den kal­ten Zylin­der und die ver­meint­li­che Käl­te­strah­lung. Er hat­te ein beson­ders emp­find­li­ches dif­fe­ren­zi­el­les Ther­mo­skop (nach John Les­lie[11]) aus zwei mit einer Kapil­la­re ver­bun­de­nen Glas­ku­geln, eine als Refe­renz, die ande­re mit­tig zwi­schen einem hei­ßen und einem kal­ten Zylin­der (Raum­tem­pe­ra­tur 22 °C). Die Zylin­der waren bei­de blank oder bei­de berußt. In bei­den Fäl­len zeig­te das Ther­mo­skop kei­nen Aus­schlag, was zwang­los zu der Hypo­the­se der sich kom­pen­sie­ren­den Wär­me- und Käl­te­strah­len pass­te.[12] Er erkann­te nicht,[5] dass glän­zen­des Metall nicht nur weni­ger Wär­me­strah­lung emit­tiert, son­dern im glei­chen Ver­hält­nis auch weni­ger Strah­lung absor­biert, den Rest reflek­tiert. Die­se Ent­spre­chung ist der Inhalt des erst 1859 for­mu­lier­ten Kirch­hoff­schen Strah­lungs­ge­set­zes. Unter Berück­sich­ti­gung die­ses Effekts sind Rum­fords Expe­ri­men­te im Ein­klang mit Pré­vosts (zutref­fen­der) Hypothese. 

In den ers­ten Deka­den des 19. Jahr­hun­derts erhär­te­te sich der Ver­dacht der Licht­na­tur der Wär­me­strah­lung.[13]Wil­helm Her­schel unter­such­te 1800 mit einem Gas­ther­mo­me­ter ein mit­tels Pris­ma erzeug­tes Son­nen­spek­trum und fand die stärks­te Tem­pe­ra­tur­er­hö­hung im dunk­len Bereich jen­seits von Rot. Ande­re For­scher fan­den das Maxi­mum an ver­schie­de­nen Stel­len. Tho­mas Johann See­beck ent­deck­te 1820, dass das am Mate­ri­al des Pris­mas lag.[14] Zwei Deu­tungs­mög­lich­kei­ten: Das Son­nen­licht ent­hält sowohl sicht­ba­re als auch Wär­me­strah­lung (und am ande­ren Ende des Spek­trums che­mi­sche Strah­lung, sie­he Johann Wil­helm Rit­ter), die sämt­lich vom Pris­ma auf­ge­spal­ten wer­den. Oder das Son­nen­licht hat alle drei Eigen­schaf­ten in unter­schied­li­chem Aus­maß, je nach Lage im Spek­trum. Jac­ques Éti­en­ne Bérard stu­dier­te (zuerst noch zusam­men mit Éti­en­ne Lou­is Malus) die Dop­pel­bre­chung von Licht und fand,[15] dass unab­hän­gig vom Nach­weis der Strah­lung (che­misch, visu­ell, ther­misch) Pola­ri­sa­ti­on auf­trat, in der glei­chen Pola­ri­sa­ti­ons­rich­tung, und die Dop­pel­bre­chungs­win­kel (bei gege­be­ner Posi­ti­on im Spek­trum) über­ein­stimm­ten, was für die (zutref­fen­de) zwei­te Hypo­the­se sprach. 

Das Kirch­hoff­sche Gesetz macht noch kei­ne Aus­sa­ge dar­über, wie die Wär­me­strah­lung von der Tem­pe­ra­tur abhängt. Die Suche nach einer For­mel, die die­se Lücke der Erkennt­nis schließt, stell­te sich als frucht­bar für den Fort­schritt der Phy­sik her­aus. Aus Expe­ri­men­ten und theo­re­ti­schen Über­le­gun­gen fand man mit dem Ste­fan-Boltz­mann-Gesetz und dem Wien­schen Ver­schie­bungs­ge­setz ein­zel­ne Eigen­schaf­ten der gesuch­ten For­mel. Um 1900 wur­de mit dem Wien­schen Strah­lungs­ge­setz zunächst eine Nähe­rungs­for­mel für hohe Tem­pe­ra­tur und weni­ge Jah­re spä­ter mit dem Rayl­eigh-Jeans-Gesetz eine Nähe­rungs­for­mel für nied­ri­ge Tem­pe­ra­tur gefun­den. Max Planck gelang schließ­lich die Ver­ei­ni­gung der Aus­sa­gen die­ser Geset­ze zum planck­schen Strah­lungs­ge­setz für Schwar­ze Kör­per. Bei der Her­lei­tung die­ser For­mel tat Max Planck, ohne es beab­sich­tigt zu haben, die ers­ten Schrit­te auf dem Weg zur Ent­wick­lung der Quan­ten­me­cha­nik.

Ent­ste­hung

Wär­me­strah­lung ist ein makro­sko­pi­sches Phä­no­men, an ihrer Ent­ste­hung sind not­wen­di­ger­wei­se eine Viel­zahl von Teil­chen und ele­men­ta­ren Anre­gun­gen betei­ligt. Einem ein­zel­nen mikro­sko­pi­schen Teil­chen des strah­len­den Kör­pers kann man kei­ne Tem­pe­ra­tur zuord­nen, es kann nicht ther­misch strah­len. Auf den genau­en Mecha­nis­mus die­ser Pro­zes­se kommt es dabei nicht an. Für jeden Mecha­nis­mus ist das ent­ste­hen­de Spek­trum ther­misch, wenn nur die für ther­mi­sche Anre­gung cha­rak­te­ris­ti­sche Ener­gie an die für den Mecha­nis­mus typi­schen Ener­gie­stu­fen her­an­reicht oder sie über­trifft ( ist die Boltz­mann-Kon­stan­te und die Tem­pe­ra­tur des strah­len­den Kör­pers). Andern­falls wäre die­ser Mecha­nis­mus ent­we­der nicht betei­ligt oder sei­ne Anre­gung nicht thermisch. 

Ther­mi­sches Gleich­ge­wicht zwi­schen Strah­lung und Mate­rie setzt vor­aus, dass von den ent­ste­hen­den Pho­to­nen der weit­aus größ­te Teil nicht aus dem Kör­per ent­weicht („aus­kop­pelt“), son­dern noch inner­halb des Kör­pers wie­der absor­biert wird. Wenn das für Pho­to­nen jeder Wel­len­län­ge gilt, wirkt sich die Wel­len­län­gen­ab­hän­gig­keit der Emis­si­on und Absorp­ti­on (also der Stär­ke der Kopp­lung der Teil­chen an das Strah­lungs­feld) nicht auf das Spek­trum der Strah­lung aus. Durch viel­fa­che Abfol­ge der ele­men­ta­ren Strah­lungs­pro­zes­se – Emis­si­on, Streu­ung und Absorp­ti­on – an den Teil­chen des Kör­pers ent­steht das kon­ti­nu­ier­li­che und zur jewei­li­gen Tem­pe­ra­tur des Kör­pers gehö­ren­de ther­mi­sche Spek­trum. Bei­spiels­wei­se wür­de ein ein­zel­ner Kubik­me­ter aus der Pho­to­sphä­re der Son­ne dafür noch zu klein sein und daher ein aus­ge­präg­tes Lini­en­spek­trum auf­wei­sen (und nur kurz und schwach leuch­ten). Bei Wel­len­län­gen zwi­schen den Spek­tral­li­ni­en hat das Mate­ri­al eine opti­sche Tie­fe, die viel grö­ßer ist als 1 m. Aller­dings bleibt sie bei allen Wel­len­län­gen gerin­ger als die Dicke der Pho­to­sphä­re von etwa 100 km. Daher ist das Spek­trum der Son­ne doch weit­ge­hend thermisch. 

Selbst wenn das Strah­lungs­feld in der Quel­le ther­misch ist, kann sein Spek­trum außer­halb deut­lich davon abwei­chen, wenn die Aus­kopp­lung wel­len­län­gen­ab­hän­gig ist. Das tritt z. B. durch den Sprung des wel­len­län­gen­ab­hän­gi­gen Bre­chungs­in­dex an der Ober­flä­che ein. Bei Metal­len bewirkt er den Glanz. Der Sprung reflek­tiert aber nicht nur äuße­re Strah­lung, son­dern auch die ther­mi­sche Strah­lung von innen. Das wür­de das Spek­trum nur dann nicht beein­flus­sen, wenn die äuße­re Strah­lung eben­falls ther­misch bei glei­cher Tem­pe­ra­tur wäre. Das ist bei Mes­sun­gen aber nie der Fall, denn um das Spek­trum ther­mi­scher Strah­lung mes­sen zu kön­nen, muss der Emp­fän­ger käl­ter sein als die Quel­le (bei BOO­ME­RanG waren es 0,27 K). 

Bei­spie­le für nicht­ther­mi­sche Strahlung

  • Im Mikro­wel­len­herd wird die Ener­gie nur auf einer Fre­quenz (2,45 GHz) ein­ge­strahlt, was im Spek­trum einer ein­zi­gen Linie (bei ca. 122 mm) ent­spricht. Obwohl die­se Strah­lung von Was­ser absor­biert wird und es somit erwärmt wird, han­delt es sich bei die­sem Lini­en­spek­trum nicht um Wärmestrahlung.
  • Glei­ches trifft auch auf einen Koh­len­di­oxid­la­ser zu: Obwohl man mit einem leis­tungs­star­ken CO2-Laser Metal­le und Stei­ne schmel­zen kann, erzeugt er kei­ne Wär­me­strah­lung, son­dern mono­chro­ma­ti­sche Strah­lung der Wel­len­län­ge 10,6 µm. Auch wenn die­se Linie im (umgangs­sprach­lich auch Wär­me­strah­lung genann­ten) Infra­rot­be­reich liegt, bedeu­tet es auch hier nicht, dass es sich um ther­mi­sche Strah­lung han­delt. Beim Ver­gleich mit einem Laser­poin­ter ist zu erken­nen, dass es (im Gegen­satz zur ther­mi­schen Strah­lung) kei­nen ein­fa­chen Zusam­men­hang zwi­schen Wel­len­län­ge und Tem­pe­ra­tur gibt: Zwar ist die Wel­len­län­ge des Laser­poin­ters etwa um den Fak­tor 20 klei­ner, somit trans­por­tiert jedes Pho­ton die zwan­zig­fa­che Ener­gie; den­noch kann man damit kei­ne Metal­le schmel­zen, da die ins­ge­samt aus­ge­sand­te Leis­tung um Grö­ßen­ord­nun­gen gerin­ger ist.
  • Das Spek­trum einer Rönt­gen­röh­re besteht aus der Brems­strah­lung und zusätz­li­chen auf­fäl­li­gen Spek­tral­li­ni­en bei bestimm­ten Wel­len­län­gen. Die Inten­si­tät der Brems­strah­lung zeigt auch einen „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 die­se Brems­strah­lung kei­ne ther­mi­sche Strahlung.
Wirk­spek­trum einer Kera­mik-Halo­gen-Metall­dampf­lam­pe
PAR-Kur­ve des Son­nen­lichts bei kla­rem Himmel
  • Das Spek­trum von Leucht­stoff­lam­pen jeg­li­cher Bau­art sowie Gas­ent­la­dungs­lam­pen wie etwa der Natri­um­dampf­lam­pe besitzt kei­ne Ähn­lich­keit mit dem ther­mi­schen Spek­trum eines planck­schen Strah­lers. Viel­mehr wird das Mate­ri­al die­ser Licht­er­zeu­ger so gewählt, dass mög­lichst viel Leis­tung im sicht­ba­ren Bereich abge­strahlt wird und mög­lichst wenig abseits davon (etwa im UV-Bereich). Nur dadurch kann der gewünsch­te hohe Wir­kungs­grad erzielt wer­den. Star­ke Abwei­chun­gen von einem wei­ßen, ther­mi­schen Spek­trum kön­nen die Farb­wie­der­ga­be beleuch­te­ter Gegen­stän­de beeinträchtigen.

Prak­ti­sche Unterscheidung

Durch Ver­gleichs­mes­sung der Inten­si­tät bei ver­schie­de­nen Wel­len­län­gen kann man ent­schei­den, ob eine Licht­quel­le „ther­misch“ oder „nicht­ther­misch“ ist und so auf die Art der Quel­le rück­schlie­ßen. Das Ergeb­nis wird auch als Signa­tur einer Licht­quel­le bezeich­net (→ Spek­tro­sko­pie).

Sol­che Ver­gleichs­mes­sun­gen füh­ren die Infra­rot­such­köp­fe von Lenk­waf­fen aus, um zwi­schen hei­ßen Flug­zeug­trieb­wer­ken und Täusch­kör­pern zu unter­schei­den, deren Licht eher eine nicht­ther­mi­sche Signa­tur hat. Über­tra­gen auf den sicht­ba­ren Bereich, ent­spricht das einem Ver­gleich von glü­hen­den Fun­ken mit bun­tem Feu­er­werk, das durch Flam­men­fär­bung ein aus­ge­präg­tes Lini­en­spek­trum besitzt. 

In der Radio­as­tro­no­mie und bei SETI wird stän­dig nach nicht­ther­mi­schen Signa­tu­ren gesucht. Die 21-cm-Linie des Was­ser­stoffs und die 1,35-cm-Linie des Was­ser­mo­le­küls sind Arbeits­grund­la­ge für die meis­ten Suchverfahren. 

Berech­nung

Der von einem Kör­per abge­strahl­te Wär­me­strom kann über das Ste­fan-Boltz­mann-Gesetz wie folgt berech­net werden: 

wobei

: Wär­me­strom bzw. Strahlungsleistung
: Emis­si­ons­grad. Die Wer­te lie­gen zwi­schen 0 (per­fek­ter Spie­gel) und 1 (idea­ler Schwar­zer Kör­per).
: Ste­fan-Boltz­mann-Kon­stan­te
: Ober­flä­che des abstrah­len­den Körpers
: Tem­pe­ra­tur des abstrah­len­den Körpers

Gleich­zei­tig nimmt der Kör­per Strah­lung von sei­ner Umge­bung auf. Befin­det sich ein Kör­per mit der Ober­flä­che im Aus­tausch mit einem Kör­per der Ober­flä­che und haben bei­de Ober­flä­chen jeweils eine homo­ge­ne Tem­pe­ra­tur und sowie jeweils einen gleich­mä­ßi­gen Emis­si­ons­grad bzw. , so ist die von der Flä­che abge­ge­be­ne Wärmeleistung 

mit dem Sicht­fak­tor .

Ist die Flä­che eines Objekts, das von einer viel grö­ße­ren emis­si­ons­fä­hi­gen Flä­che umge­ben ist (z. B. eine Tee­tas­se in einem Büro­raum), so ver­ein­facht sich obi­ge For­mel zu 

Inten­si­tät

Das durch den Satel­li­ten COBE gemes­se­ne Spek­trum des Mikro­wel­len­hin­ter­grunds ent­spricht dem eines schwar­zen Strah­lers mit der Tem­pe­ra­tur von 2,725 K. Die Mess­un­si­cher­heit und die Abwei­chun­gen vom theo­re­ti­schen Ver­lauf sind gerin­ger als die Strichbreite.

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). Zur Erläu­te­rung eini­ge Bei­spie­le von Kör­pern; die Tem­pe­ra­tu­ren ver­rin­gern sich von Bei­spiel zu Bei­spiel um den Fak­tor 10: 

  • Ein Wei­ßer Zwerg: ein Stern mit einer beson­ders hohen Ober­flä­chen­tem­pe­ra­tur, hier sei­en es 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 – ent­spre­chend der 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 für ein Ein­fa­mi­li­en­haus 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 liegt nur der hei­ße Ofen im Bereich unse­rer All­tags­er­fah­rung. Das Spek­trum eines sol­chen Ofens mit sei­nem Maxi­mum im Infra­rot­be­reich ist die Ursa­che der in der Ein­lei­tung erwähn­ten umgangs­sprach­li­chen Ein­engung der Bedeu­tung des Begriffs Wär­me­strah­lung auf den Infra­rot­be­reich. Für bestimm­te galak­ti­sche Ker­ne hin­ge­gen 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 abstrahlen.

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 Absorp­ti­ons­mi­ni­mum 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 ein­ge­färb­te Poly­ethy­len­foli­en 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: 

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

Die gesam­te Ober­flä­che eines Erwach­se­nen beträgt etwa 2 m², der Emis­si­ons­grad von mensch­li­cher Haut im IR-Bereich ist annä­hernd 1, unab­hän­gig von der Wel­len­län­ge.[16]

Die Haut­tem­pe­ra­tur liegt bei 33 °C,[17] an der Ober­flä­che der Klei­dung misst man aber nur etwa 28 °C. Bei einer mitt­le­ren Umge­bungs­tem­pe­ra­tur von 20 °C[18] errech­net sich ein Strah­lungs­ver­lust von 

Neben der Wär­me­strah­lung ver­liert der Kör­per Ener­gie auch durch Kon­vek­ti­on und Ver­duns­tung von Was­ser in der Lun­ge und Schweiß auf der Haut. Eine gro­be Abschät­zung ergab, dass für einen ste­hen­den Erwach­se­nen die Wär­me­leis­tung durch Strah­lung die durch natür­li­che Kon­vek­ti­on um einen Fak­tor zwei über­steigt.[19]

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

Wär­me­bild­ka­me­ras für ther­mo­gra­fi­sche Dia­gnos­tik in der Medi­zin sol­len des­halb im Bereich 7 – 14 µm beson­ders emp­find­lich sein. 

Anwen­dun­gen

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. 

Elo­xier­te Alu­mi­ni­um­kühl­kör­per (Wär­me­ab­strah­lung und Kon­vek­ti­on)

Die Wär­me­ab­strah­lung lässt sich durch die Ver­wen­dung blan­ker Metall­ober­flä­chen ver­rin­gern (Bei­spie­le: Metall­schich­ten an Ret­tungs­de­cken und Iso­lier­ta­schen, Ver­spie­ge­lun­gen von Dewar­ge­fä­ßen wie 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 nahe­zu belie­bi­ger Far­be (Kunst­harz hat im mitt­le­ren Infra­rot einen Emis­si­ons­grad nahe eins).
  • Elo­xie­rung von Alu­mi­ni­um­kühl­kör­pern, um zusätz­lich zur Kon­vek­ti­on die Abstrah­lung zu ver­bes­sern (die Eloxal­schicht hat unab­hän­gig von der Farb­ge­bung im mitt­le­ren Infra­rot einen Emis­si­ons­grad nahe eins).
  • Email­lie­rung von Ofen­roh­ren und Metall­öfen (Email­le, Glas und Kera­mik haben farb­unab­hän­gig im mitt­le­ren Infra­rot einen Emis­si­ons­grad nahe eins).
  • Dunk­le Abstrahl­flä­chen bei Radio­iso­to­pen­ge­ne­ra­to­ren (nuklea­ren Ther­mo­strom­quel­len) von Satelliten.

Die Far­be sol­cher Schich­ten ist für die Wär­me­ab­strah­lung bei übli­chen Betriebs­tem­pe­ra­tu­ren irrelevant. 

Die metal­le­nen Absor­ber von Son­nen­kol­lek­to­ren wer­den jedoch mit einer zwar schwar­zen Beschich­tung (zum Bei­spiel Titan-Oxi­ni­trid[20]) ver­se­hen, die im mitt­le­ren Infra­rot jedoch reflek­tiert – sie sol­len die Wär­me­en­er­gie des sicht­ba­ren Son­nen­spek­trums auf­neh­men und selbst jedoch bei einer Eigen­tem­pe­ra­tur von über 100 °C mög­lichst wenig Wär­me abstrahlen. 

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 K besit­zen, kön­nen sie auch bei Nacht ihre warm­blü­ti­ge Beu­te aus­rei­chend genau lokalisieren. 

Mit dem WISE-Welt­raum­te­le­skop wur­de die Wär­me­strah­lung von Aste­ro­iden gemes­sen, um deren Grö­ße zu schät­zen, wenn sie zu weit ent­fernt sind, um das mit­tels Radar zu tun. Weil die Emis­si­vi­tät im IR-Bereich nahe­zu eins beträgt, gelingt das genau­er als über die visu­el­le Hel­lig­keit, die auch von der oft sehr gerin­gen Albe­do abhängt. 

Sie­he auch

Web­links

Ein­zel­nach­wei­se

  1. Eine detail­lier­te Über­sicht frü­her expe­ri­men­tel­ler Arbei­ten und theo­re­ti­scher Argu­men­te zur Klas­si­fi­ka­ti­on jener Strah­len bie­tet Klaus Hent­schel: Unsicht­ba­res Licht? Dunk­le Wär­me?…, Diep­holz: GNT-Ver­lag 2007.
  2. ab E.S. Cor­nell: Ear­ly stu­dies in radi­ant heat. Annals of Sci­ence 1, 1936, doi:10.1080/00033793600200171.
  3. His­toire de l’A­ca­de­mie Roya­le des Sci­en­ces, Band 1, 1666 – 1686. Paris, 1733, ein­ge­schränk­te Vor­schau in der Google-Buchsuche.
  4. Sag­gi di Natu­ra­li Espe­ri­en­ze fat­te nel­l’­Ac­ca­de­mia del Cimen­to sot­to la pro­te­zio­ne del Sere­nis­si­mo Princi­pe Leo­poldo di Tos­ca­na e descritto dal segre­ta­rio Loren­zo Maga­lot­ti. Cec­chi, Flo­renz 1667.
  5. abc James Evans, Bri­an Popp: Pictet’s expe­ri­ment: The appa­rent radia­ti­on and reflec­tion of cold., Am. J. Phys. 53, 1985, doi:10.1119/1.14305 (online).
  6. Marc-August Pic­tet: Essai sur le feu. Genf, 1790.
  7. Carl Wil­helm Schee­le: Che­mi­sche Abhand­lung von der Luft und dem Feu­er. Upsa­la und Leip­zig, 1777, Abschnit­te 56 und 57, ein­ge­schränk­te Vor­schau in der Google-Buchsuche.
  8. Pierre Pre­vost: Mémoi­re sur l’é­qui­libre du feu. Jour­nal de Phy­si­que 38, 1791.
  9. Pierre Pré­vost: Recher­ches phy­si­co-meca­ni­ques sur la chal­eur. Bar­de, Man­get & Cie, Genf 1792.
  10. Rum­ford: Inqui­ry. Collec­ted Works, Vol. I, S. 421f, Zitat nach Evans&Popp 1985: “an ope­ra­ti­on not only incom­pre­hen­si­ble, but appar­ent­ly impos­si­ble, and to which the­re is not­hing to be found ana­lo­gous, to ren­der it pro­bable…”.
  11. Fuß­no­te 26 in Evans&Popp
  12. Ben­ja­min Graf von Rum­ford: Mémoi­res sur la chal­eur. Fran­zö­sisch von Pic­tet, Genf und Paris, 1804, ein­ge­schränk­te Vor­schau in der Google-Buchsuche.
  13. Dio­ny­si­us Lard­ner: Trea­tise on heat. Long­man, 1833, Kap. XII Radia­ti­on, ein­ge­schränk­te Vor­schau in der Google-Buchsuche.
  14. ES Cor­nell: The radi­ant heat spec­trum from Her­schel to Mel­lo­ni. — I. The work of Her­schel and his con­tem­pora­ries. Annals of Sci­ence 3, 1938, doi:10.1080/00033793800200801.
  15. S. 305f in Lard­ner 1833
  16. J. Ste­ke­tee: Spec­tral emis­si­vi­ty of skin and peri­car­di­um. In: Phy­sics in Medi­ci­ne and Bio­lo­gy (Phys. Med. Biol.). Band 18, Num­mer 5, 1973.
  17. Aban­ty Farzana: Tem­pe­ra­tu­re of a Healt­hy Human (Skin Tem­pe­ra­tu­re). The Phy­sics Fact­book, 2001, abge­ru­fen am 24. Juni 2007.
  18. B. Lee: Theo­re­ti­cal Pre­dic­tion and Mea­su­re­ment of the Fab­ric Sur­face Appa­rent Tem­pe­ra­tu­re in a Simu­la­ted Man/​Fabric/​Environment Sys­tem. (PDF; 261 kB) Abge­ru­fen am 24. Juni 2007.
  19. DrPhysics.com: Heat Trans­fer and the Human Body. Abge­ru­fen am 24. Juni 2007.
  20. BINE Infor­ma­ti­ons­dienst, Pro­jekt­in­fo 05/1999: Selek­ti­ve Absor­ber­be­schich­tun­gen in Solar­kol­lek­to­ren. (PDF; 285 kB). 4 Sei­ten, Sei­te 2, abge­ru­fen am 18. März 2018.

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