Ein wenig Strahlungsphysik
Strahlung
Die Vorgänge, die zum sogenannten Treibhauseffekt führen, sind Strahlungsprozesse; zu ihrem Verständnis ist es nötig, einige grundlegende Eigenschaften dieser Strahlung zu kennen:
Röntgenstrahlung, ultraviolettes Licht, sichtbares Licht, Infrarotstrahlung und Radiostrahlung haben dieselbe physikalische Natur: sie transportieren Energie in miteinander gekoppelten elektrischen und magnetischen Feldern, die sich wellenartig mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten. Der Unterschied der genannten Strahlungsarten besteht in ihrer Wellenlänge λ, die z.B. typisch 10 -12m bei Röntgenstrahlung, 5 · 10 -7m im Bereich des sichtbaren Lichtes und 1 km im Bereich der Radiostrahlung beträgt.
Verschiedene Quellen strahlen in unterschiedlichen Wellenlängenbereichen unterschiedlich intensiv. Für eine bestimmte Klasse von Strahlungsquellen, die sogenannten schwarzen Körper, zu denen in guter Näherung die Sonne und die Erde gehören, gibt das Plancksche Strahlungsgesetz genau an, wieviel Strahlungsenergie pro Zeit, Wellenlängenintervall, Raumwinkel und Flächeninhalt ein bestimmtes Stück ihrer Oberfläche bei der Wellenlänge und der Temperatur T aussendet (k1 = 2hc2 und k2= hc/k sind Konstanten). Aus diesem Gesetz ergibt sich, dass die absolute Temperatur T in zweierlei Weise die Strahlung eines schwarzen Körpers bestimmt:
Je größer seine Temperatur T ist,
- desto mehr Strahlung sendet ein schwarzer Körper insgesamt aus und
- desto kleiner ist die Wellenlänge λmax, bei der er am intensivsten strahlt.
Abbildung 1 zeigt dies durch den Vergleich der Graphen zu B(,T) zweier Strahlungsquellen von T=5800K (Sonnenoberfläche) und T=4000K.
Der erstgenannte Zusammenhang wird durch das Stefan-Boltzmannsche Strahlungsgesetz genauer beschrieben: Die insgesamt abgegebene Strahlungsenergie Δ W pro Zeit Δ t und Fläche Δ A, also die Flächenstrahlungsleistung S des schwarzen Körpers der Temperatur T beträgt
ist also proportional zur 4. Potenz der Temperatur, d.h. auf eine Verdoppelung seiner Temperatur reagiert ein schwarzer Körper mit sechzehnfacher Strahlungsleistung. Dieser Gesamtstrahlung entspricht in Abbildung 1 der Inhalt der Fläche zwischen der Wellenlängenachse und dem jeweiligen Graphen.
Wie die Temperatur T die Wellenlänge maximaler Intensität λmax beeinflußt, zeigt genauer das Wiensche Verschiebungsgesetz:
λmax = 2,9 . 10-3m . K . (1/T)
Nach einer Verdoppelung seiner Temperatur strahlt ein schwarzer Körper also maximal bei halbierter Wellenlänge.
Abbildung 1:
Graphen zu B(,T) nach dem Plankschen Strahlungsgesetz für zwei schwarze Körper der Temperaturen T=5.800K und T=4.000K
