2. Temperaturstrahlung

Absorption und Emission:
Das Kirchhoffsche Strahlungsgesetz     (3/4)

Helligkeit im Infrarot

In dem Foto des heißen Brennofens wurde die dunklere Farbe der im Vordergrund stehenden Tassen mit ihrer geringeren Temperatur erklärt. Die Helligkeit sinkt offenbar mit fallender Temperatur. Gleichzeitig ändert sich auch die Farbe: Rotglut deutet auf niedrigere Temperaturen als Weißglut. Nimmt die Temperatur weiter ab und erreicht Raumtemperatur, so emittiert ein Körper weiterhin Strahlung, die dann im Infrarot bei etwa 10 μm liegt. Dieser Spektralbereich wird thermisches Infrarot genannt.

Die wolkenfreie Atmosphäre ist im thermischen Infrarot teilweise durchsichtig. Mit einer Wärmebildkamera, die für diese Strahlung empfindlich ist, kann man daher von Flugzeugen und Satelliten aus die Emission der Erdoberfläche messen. Hellere Regionen sollten dann höhere Temperaturen aufweisen als dunklere.

Infrarot-Bild von Mittelitalien RGB-Echtfarbenbild von Mittelitalien

Die verschieden hellen Grauwerte des Infrarot-Satellitenbilds in der linken Spalte kommen durch unterschiedliche Temperaturen der Erdoberfläche zustande. Allerdings muss der Emissionsgrad verschiedener Materialien berücksichtigt werden, wenn man aus dem Grauwert eine Temperatur ableiten will.

Im Weiteren werden wir Temperaturen in Kelvin angeben, also die absolute oder Kelvin-Temperaturskala benutzen. Das Formelzeichen der Kelvin-Temperatur ist $T$. Ihre Einheit, 1 K, ist ebenso groß wie 1°C. Bei Normaldruck der Atmosphäre (1013 hPa) ist der Gefrierpunkt des Wassers bei 273,2 K bzw. 0°C, der Siedepunkt bei 373,2 K bzw. 100°C. Die Kelvin-Skala ist also gegenüber der Celsius-Skala um 273,2 Grad zu größeren Werten hin verschoben.

Typische Emissionsgrade von Materialien bei Raumtemperatur im Spektralbereich 8 bis 14 μm. Quelle: Lillesand et al., 2008.

Ist der Emissionsgrad kleiner Eins, dann ist die aus der Helligkeit bestimmte Temperatur kleiner als die wahre (mit einem Thermometer bestimmte) Temperatur $T$ eines Objekts. Man bezeichnet sie daher als Strahlungstemperatur $T_{rad}$. Der Zusammenhang zwischen den beiden Temperaturen ist

Die Beziehung kann erst in einem der folgenden Abschnitte begründet werden.

Für gesunde Vegetation ($\epsilon$≈0,98) bei Raumtemperatur $T$≈293 K (20°C) ist die Strahlungstemperatur nur 1,5 Grad zu klein. Poliertes Metall ($\epsilon$≈0,05) liefert jedoch bei der gleichen wahren Temperatur den Wert $T_{rad}$≈139 K, was -134°C entspricht.