Absorption thermischer Strahlung durch atmosphärische Gase

Versuch 29 - Absorption von Wärmestrahlung durch atmosphärische Gase Seite 3
2 Grundlagen
2.1 Thermische Strahlung
Jeder Körper sendet thermische Strahlung aus. Diese elektromagnetische Strahlung,
auch Wärmestrahlung genannt, benötigt entgegen den anderen Wärmeübertragungsmechanismen
Wärmeleitung und Konvektion, keine Materie, um sich auszubreiten. Für
den Wärmehaushalt der Erde und deren Wechselwirkung mit der Atmosphäre stellt sie
eine wichtige Form der Energieübertragung dar.
Strahlungsleistung und Leistungsdichte
Eine wichtige physikalische Größe im Bereich der Strahlungsphysik ist die Leistungsdichte
S. Sie ist definiert als die einfallende Strahlungsleistung P pro Fläche
A:
S = P
A
W
Die Leistungsdichte sinkt quadratisch mit dem Abstand zur emittierenden punktförmigen
Strahlungsquelle, da sich die Strahlungsleistung auf eine quadratisch mit
dem Abstand wachsende Fläche verteilt. Die Strahlungsleistung eines thermischen
Strahlers hängt neben der Temperatur auch von der Beschaffenheit seiner Oberfläche
ab. Beispielsweise strahlt eine berußte Oberfläche stärker ab, als eine verspiegelte.
Schwarzer Körper und Strahlungsgesetze
Unter einem schwarzen Körper versteht man einen hypothetischen Körper, welcher
auf ihn auftreffende elektromagnetische Strahlung vollständig absorbiert. Nach dem
Kirchhoffschen Gesetz besitzt er somit auch ein maximales Emissionsvermögen.
Dieser sendet ein nur von der Temperatur abhängiges elektromagnetisches Spektrum
aus, welches oft als Grundlage für theoretische Betrachtungen sowie als Referenz für
praktische Untersuchungen elektromagnetischer Strahlung verwendet wird. Diese Abhängigkeit
der Strahlungsleistung von der Wellenlänge und der Temperatur des Körpers
wird durch das Plancksche Strahlungsgesetz beschrieben:
BT (λ) = 2πhc2
λ 5
m 2
1
e hc/kλT − 1
Dabei beschreibt λ die Wellenlänge, T die Temperatur, h = 6, 63 · 10 −34 Js das
Plancksche Wirkungsquantum , c = 3 · 10 8 m/s die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum
und k = 1, 38 · 10 −23 J/K die Boltzmann-Konstante.
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