Тепловое излучение земли это кратко

Обновлено: 05.07.2024

В тепловое излучение Это энергия, передаваемая телом благодаря его температуре и в инфракрасных длинах волн электромагнитного спектра. Все тела без исключения излучают инфракрасное излучение, независимо от того, насколько низка их температура.

Бывает, что, когда они находятся в ускоренном движении, электрически заряженные частицы колеблются и благодаря своей кинетической энергии непрерывно излучают электромагнитные волны.

Единственный способ, которым тело не испускает теплового излучения, - это полное покой его частиц. Таким образом, его температура будет равна 0 по шкале Кельвина, но снижение температуры объекта до такой точки - это то, что еще не достигнуто.

Свойства теплового излучения

Примечательным свойством, которое отличает этот механизм теплопередачи от других, является то, что для его создания не требуется материальная среда. Таким образом, энергия, излучаемая Солнцем, например, проходит 150 миллионов километров в космосе и непрерывно достигает Земли.

Существует математическая модель, чтобы узнать количество тепловой энергии, которую излучает объект в единицу времени:

Это уравнение известно под названием закона Стефана, и появляются следующие величины:

–Тепловая энергия в единицу временип, которая известна как мощность, а единицей измерения в Международной системе единиц является ватт или ватт (Вт).

-The Поверхностная область объекта, излучающего тепло К, в квадратных метрах.

-Постоянная, звонок Константа Стефана-Больцмана, обозначаемый σ и значение которого составляет 5,66963 x10 -8 Вт / м 2 K 4 ,

-The излучательная способность (также называетсяэмиссия) объекта а также, безразмерная величина (без единиц измерения), значение которой находится в диапазоне от 0 до 1. Это связано с природой материала: например, зеркало имеет низкий коэффициент излучения, а очень темное тело имеет высокий коэффициент излучения.

-И наконец температураТ в кельвинах.

Примеры теплового излучения

Согласно закону Стефана, скорость, с которой объект излучает энергию, пропорциональна площади, излучательной способности и четвертой степени температуры.

Поскольку скорость излучения тепловой энергии зависит от четвертой степени Т, ясно, что небольшие изменения температуры будут иметь огромное влияние на испускаемое излучение. Например, если температура увеличится вдвое, излучение увеличится в 16 раз.

Частный случай закона Стефана - идеальный радиатор, полностью непрозрачный объект, называемый черное тело, коэффициент излучения которого равен 1. В этом случае закон Стефана выглядит так:

Бывает, что закон Стефана - это математическая модель, которая примерно описывает излучение, испускаемое любым объектом, поскольку считает коэффициент излучения постоянной.Коэффициент излучения фактически зависит от длины волны излучаемого излучения, качества поверхности и других факторов.

При рассмотрении а также как константа и применяется закон Стефана, как указано в начале, то объект называется серое тело.

Значения коэффициента излучения для некоторых веществ, считающихся серым телом, следующие:

-Полированный алюминий 0,05

-Черный карбон 0,95

-Человеческая кожа любого цвета 0.97

-Медь от 0,015 до 0,025

-Сталь от 0,06 до 0,25

Тепловое излучение Солнца

Наглядным примером объекта, излучающего тепловое излучение, является Солнце. По оценкам, каждую секунду примерно 1370 Дж энергии в форме электромагнитного излучения достигает Земли от Солнца.

Это значение известно как солнечная постоянная И у каждой планеты есть по одному, что зависит от ее среднего расстояния от Солнца.

Это излучение проходит перпендикулярно через каждые m 2 атмосферных слоев и находится распределенным в разных длинах волн.

Почти все они поступают в виде видимого света, но большая часть приходит в виде инфракрасного излучения, которое мы воспринимаем как тепло, а некоторые также как ультрафиолетовые лучи. Это большое количество энергии, достаточное для удовлетворения потребностей планеты, чтобы уловить ее и использовать должным образом.

С точки зрения длины волны, это диапазоны, в которых находится солнечное излучение, достигающее Земли:

–Инфракрасный, которое мы воспринимаем как тепло: 100 - 0,7 мкм *

–Видимый свет, от 0,7 до 0,4 мкм

–Ультрафиолетовый, менее 0,4 мкм

* 1 мкм = 1 микрометр или одна миллионная метра.

Закон Вина

На изображении ниже показано распределение излучения по длине волны для различных температур. Распределение подчиняется закону смещения Вина, согласно которому длина волны максимального излучения λ_{Максимум} обратно пропорциональна температуре T в кельвинах:

λ_{Максимум} Т = 2 898. 10 −3 m⋅K

Как мы уже видели, Солнце имеет температуру поверхности приблизительно 5700 К и излучает в основном более короткие волны. Кривая, которая наиболее близко соответствует кривой Солнца, - это кривая 5000 К, синяя и, конечно же, имеет максимум в диапазоне видимого света. Но он также излучает значительную часть инфракрасного и ультрафиолетового излучения.

Применение теплового излучения

Солнечная энергия

Большое количество энергии, излучаемой Солнцем, может храниться в устройствах, называемых коллекционеры, а затем преобразовать ее и использовать как электрическую энергию.

Инфракрасные камеры

Это камеры, которые, как следует из названия, работают в инфракрасной области, а не в видимом свете, как обычные камеры. Они используют тот факт, что все тела испускают тепловое излучение в большей или меньшей степени в зависимости от их температуры.

Пирометрия

Если температуры очень высокие, измерять их ртутным термометром - не лучший вариант. Для этого пирометры, с помощью которого определяется температура объекта, зная его коэффициент излучения, благодаря излучению электромагнитного сигнала.

Астрономия

Звездный свет очень хорошо моделируется с помощью приближения черного тела, как и вся Вселенная. Со своей стороны, закон Вина часто используется в астрономии для определения температуры звезд в соответствии с длиной волны излучаемого ими света.

Военная промышленность

Ракеты направляются на цель с помощью инфракрасных сигналов, которые стремятся обнаружить самые горячие участки в самолетах, такие как, например, двигатели.

ЗЕМНО́Е ИЗЛУЧЕ́НИЕ, тепловое излучение земной поверхности (в инфракрасном и ближнем радиодиапазоне). За счёт собственного излучения земная поверхность охлаждается. Атмосфера поглощает большую часть З. и., нагревается и посылает навстречу ему собственное противоизлучение (см. Атмосферное излучение ). Разность между собственным излучением земной поверхности и противоизлучением называется эффективным излучением. Уменьшение эффективного излучения за счёт парникового эффекта приводит к повышению среднеглобальной среднегодовой приземной темп-ры воздуха на 33 °C (до 15 °C), спасая Землю от оледенения. Сравнительно малое противоизлучение атмосферы в ясные ночи вызывает сильное остывание земной поверхности, образование тумана, росы и инея. Излучение, идущее от планеты Земля в космич. пространство, включает тепловое излучение земной поверхности в окнах прозрачности атмосферы, отражённую солнечную радиацию, тепловое излучение атмосферы, собственное излучение верхних слоёв атмосферы, световое и гамма-излучение молниевых разрядов, а также электромагнитное излучение антропогенных источников.

1. Подстилающая поверхность, земная поверхность, рассматриваемая с точки зрения её взаимодействия с атмосферой в процессе тепло- и влагообмена. Различия в характере Подстилающая поверхность (суша и водная поверхность, горы и равнины, лес и поле и т. д. ) оказывают существенное влияние на физическое состояние атмосферы, т. е. на погоду и климат. Различия в поглощении, расходе и накоплении лучистой энергии Солнца между разными участками Подстилающая поверхность оказывают большое влияние на общую циркуляцию атмосферы и, кроме того, обусловливают местные атмосферные циркуляции (см. Бризы, Муссоны, Горно-долинные ветры) .

2. Тепловое излучение - температурное излучение, электромагнитное излучение, испускаемое веществом (Земли) и возникающее за счёт его внутренней энергии

Взаимодействие между собой заряженных веществ приводит к появлению электромагнитного поля. В свою очередь, оно вызывает ряд возмущений в пространстве. Одно из них — тепловое излучение. Происходит оно за счёт внутренней энергии тел, которой обладает любой нагретый физический объект. Причиной же этому является природная особенность устройства атомов и молекул.

Общие сведения

В начале XIX века английский астроном и оптик Вильям Гершель, используя призму, наблюдал преломление солнечного света. В итоге он смог обнаружить, что тела при повышении температуры обладают излучением.

Лежало оно за пределами красной части спектра и получило название инфракрасное. Этот вид, как оказалось, в дальнейшем, был связан с природой колебаний атомов в кристаллической решётке и стал синонимом тепловому излучению.

Гершель установил, что инфракрасный свет подчиняется всем известным законам оптики. Через более чем сто лет советская учёная Глаголева-Аркадьева смогла получить опытным путём радиоволны, лежащие в области излучения совпадающим с тепловым. Это позволило заключить, что инфракрасный поток является разновидностью электромагнитной волны.

Условно тепловое излучение разделяют на три группы:

коротковолновое — длина волны лежит в пределах от 0,74 мкм до 2,5 мкм;
средневолновое — диапазон излучения находится в промежутке от 2,5 мкм до 50 мкм;
длинноволновое — занимает участок электромагнитных волн от 60 мкм до 10 мкм.

Как оказалось, инфракрасные лучи создаёт и тело человека. Но тепловое излучение оно может не только излучать, но и воспринимать. Оптик Харди предположил, что человек способен излучать в области характерной для абсолютно чёрного тела. Причём длина волны не зависит от возраста и других особенностей строения человеческого организма. Поэтому коэффициент излучения кожи приняли равным единице. Но практические исследования показали, что различия всё же есть. Оно несущественное и зависит от окружающей обстановки. Так, при температуре помещения 22 °C излучение уже нельзя отнести к коротковолновому.

Инфракрасный спектр наблюдается в вакууме. Его испускание можно обнаружить у нагретого металла, в земной атмосфере, на поверхности белого карлика. Оказалось, что излучение разных тел отличается не только длиной волны, но и интенсивностью. Но при этом наступает такой момент, когда физический объект находится в состоянии термодинамического равновесия. В этот момент неизменной остаётся не только температура, но и давление, объём, энтропия. Такое состояние часто называют равновесным. По сути, оно соответствует излучению спектра абсолютно чёрного тела и описывается формулой Планка.

Природа явления

Любое излучение не может существовать само по себе. Для его появления необходим источник. Испускаемое им излучение уносит энергию, которая после может принимать любой вид. Изучая закономерности тепловых лучей, учёные пытались установить связь между ними и световыми волнами. Простой опыт показывал, что если нагретое тело поместить в замкнутое пространство с зеркальными стенами, то через время все поверхности станут одинаковой температуры. Наступит тепловое равновесие.

После того как было изучено строение тел, открыты элементарные частицы и кристаллическая решётка, стало ясно, что любое твёрдое тело является излучателем электромагнитной волны. Обусловлено оно тем, что свободные частицы в равновесном состоянии обладают именно энергией, полученной за счёт тепловых колебаний. При этом обусловлено оно возбуждением атомов и молекул при соударениях.

Возбуждение частиц происходит за счёт того, что частицы, находящиеся на более высоком энергетическом уровне, сталкиваясь с молекулами, отдают им часть своей энергии. Но так как любая система всегда стремится занять энергетически наиболее выгодное состояние, то возбуждённые носители зарядов стремятся вернуться в предыдущее состояние, испуская при этом электромагнитную волну.

Естественно, теплоизлучение — это интенсивный процесс, но при этом зависящий от окружающих источник температур. Установлено, что вне зависимости от возникновения величина излучения снижается с уменьшением температуры. При достижении абсолютного нуля движение частиц прекращается. Следовательно, электромагнитная волна телом не генерируется, но в то же время оно остаётся способным поглощать энергию извне.

В зависимости от механизма тепловые колебания описываются следующим характеристиками:

Мощность. Показывает количество энергии, которое способно испустить тело за единицу времени: F = Δ W / Δ t.
Светимость. Определяет величину энергии, которую тело может излучать за одну секунду с поверхности равной одному квадратному метру: R = F / S.
Спектральной плотностью. Описывает, по какому закону происходит распределение энергии по спектру: r = dR / dj .
Коэффициент монохромного поглощения. Находится как отношение поглощённого потока к падающему на тело в единичном интервале длин волн: j = Fпог / F пад.

Она нашла широкое практическое применение. Например, стало возможным узнать, сколько микрометров будет составлять излучение, исходящее от человека. Она равняется 9,35 мкм. Это действительно инфракрасное невидимое излучение. Знание этой величины даёт возможность использовать специальные приборы, позволяющие фиксировать отклонения теплового излучения.

В медицине с их помощью исследуют кровь, пульс. Кроме того, оказывая воздействие правильно подобранным нетепловым излучением на кожные рецепторы улучшают кровообращение, процессы метаболизма.

Зная каков механизм потери тепла излучением и пик длины волны можно создать лазер, эффективный измеритель температуры — пирометр. С помощью последнего возможно провести интересный эксперимент. Можно взять стальную пластину шероховатую, с одной стороны, а с другой — отшлифованную. Если её нагреть до 100 0 С, а потом замерить температуру пирометром, то можно увидеть, что результат измерения будет у разных сторон различаться. На шероховатой стороне количество излучаемой энергии выше. Объясняется этот эффект поверхностной плотностью, то есть поглощающей способностью.

Закон Стефана — Больцмана

Над энергией излучения чёрного тела в своё время задумались два физика Джозеф Стефан и Людвиг Больцман. Они смогли вывести формулу, которая описывала, как с увеличением температуры возрастает излучаемая энергия. На их законе основан принцип работы тепловизора. Это устройство с экраном, на который выводится изображение изучаемой поверхности тела. При этом в зависимости от мощности излучения участки тела имеют разный цвет. Так, наименьшая отображается синими тонами и соответствует холодным участкам. Наибольшая — красным цветом (нагретые места).

Формула, полученная физиками, выглядит так: R = σ * T 4 . Где:

T — Абсолютная температура в кельвинах [K];
σ - постоянная Стефана — Больцмана равная 5,67 * 10 -8 Вт / (м 2 * К);
R — энергетическая светимость тела измеряемая в ваттах делённых на квадратный метр [Вт /м 2 ].

С помощью этой формулы, зная температуру тела, например, лампы накаливания, можно рассчитать, сколько энергии будет излучаться в пространство. Интересным фактом является то, что если предмет нагреть в два раза, то его тепловое испускание возрастёт в 16 раз. По сути, формула позволяет представить, какую энергию будет излучать в единицу времени тело площадью один квадратный метр. Другими словами, узнать отдаваемую мощность.

Таким образом, закон Стефана — Больцмана представляет зависимость интенсивности излучения, а формула Вина определяет частоту испускаемой волны. Инфракрасное испускание — это основной механизм передачи тепла происходящий с помощью лучистой энергии. Его часто называют тепловой радиацией облучения.

Тепловые лучи распространяются подобно световым лучам. Они передают энергию как излучение, а также проходят в безвоздушном пространстве. Например, тепловое излучение Земли состоит из баланса энергий процессов теплопередачи, излучения в атмосфере и на поверхности планеты. Основной приток энергии обеспечивают солнечные лучи, распространяющиеся в диапазоне от 0,1 до 4 мкм.

Способность тепловосприятия зависит от вида поверхности. Так, тела с тёмной и шероховатой нагреваются сильнее, чем светлые и гладкие тела. Они поглощают большую часть теплового излучения. В качестве примеров можно привести, нагрев тёмных волос, одежды солнечным светом. Но при этом, тёмные тела излучают и больше тепла по сравнению со светлыми.

Читайте также: