Лекция 6. Области ИК диапазона. Инфракрасные (ИК) лучи представляют собой электромагнитное излучение с длиной волны от 0,76 мкм примерно до 700 мкм

Тепловое излучение

1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ИНФРАКРАСНОМ ИЗЛУЧЕНИИ

Области ИК диапазона. Инфракрасные (ИК) лучи представляют собой электромагнитное излучение с длиной волны от 0,76 мкм примерно до 700 мкм. Верхняя граница ИК диапазона определяется чувствительностью глаза. Нижняя граница условна и простирается до субмиллиметровых и миллиметровых волн (см. рис. 1). Весь диапазон ИК излучения часто делят на три поддиапазона (табл.1).

Таблица 1

Области ИК диапазона

ИК излучение не воспринима­ется человеческим глазом, но ощущается кожей. Часто ИК из­лучение называют тепловым из­лучением (тепловыми лучами). Инфракрасные лучи открыты анг­лийским астрономом В. Г. Гершелем в солнечном спектре.

Русский физик А.А. Глаголева-Аркадьева с помощью мас­сового излучателя получила в 1923 г. электромагнитные колебания с длиной волны от 50 мм до 80 мкм. Таким образом, был перекрыт широкий диапазон длин волн, соответствующий колебательно-вращательным уровням молекул. Они обладают сложными энергети­ческими уровнями и имеют набор дискретных электронных ε_эл, колебательных ε_к, колебательно-вращательных ε_кол-вр и чисто враща­тельных ε_вр уровней. Полная энергия молекул ε_мол определяется этим набором уровней:

(1)

При соответствующем переходе с одного уровня на другой уровень испускается квант излучения определенной энергии (частоты) hv. Чем больше разность энергии уровней (ε₁, ε₂), тем выше частота v₂₁ излучения:

(2)

где v₂₁ – частота излучения при переходе с уровня 2 на уровень 1 (ε₂>ε₁); h – постоянная Планка.

Среди ИК спектров различают линейчатые, полосатые и непре­рывные.

Линейчатые (атомные) ИК спектры испускают возбужденные атомы и молекулы при переходах между близко расположенными электронными уровнями энергии. Полосатые (молекулярные) ИК спектры возникают при переходах между колебательными и враща­тельными уровнями энергии молекул. Колебательные и колебательно-вращательные спектры расположены, в основном, в средней области ИК диапазона. Чисто вращательные спектры располагают­ся, главным образом, в далекой области ИК диапазона. Непрерыв­ный ИК спектр излучают все нагретые тела. Например, максимум теплового излучения тела человека приходится на длину волны 10 мкм, что соответствует средней области ИК. Непрерывный (сплош­ной) спектр обусловлен тем, что в конденсированном состоянии в жидкостях и твердых телах происходит сильное взаимодействие молекул и атомов, что приводит к размытию дискретных энер­гетических уровней и образованию сплошных спектров излучения.

Закон Стефана–Больцмана. Замкнутая полость тела, поддер­живаемая при постоянной температуре, обладает электромагнит­ным равновесным излучением как в отношении общей плотности энергии, так и в отношении спектрального распределения. Такое состояние определяется только от температуры полости и не зави­сит от материала стенок. При постоянной температуре стенок.

Источники ИК излучения. Источники ИК излучения можно раз­делить на две группы: естественного и техногенного происхожде­ний. Главным естественным источником ИК излучения в биосфере является Солнце. При температуре внешней поверхности Солнца ≈ 6000°К примерно 50% энергии излучения приходится на ИК диапазон. К числу естественных источников ИК излучения относят­ся действующие вулканы, термальные воды, процессы тепло-массопереноса в атмосфере, все нагретые тела, лесные пожары и т. п. Поверхность Земли испускает тепловое излучение в диапазоне длин волн примерно от 3 до 80 мкм, т. е. захватывает всю среднюю ИК область. Интересно отметить, что максимум обратного теплового излучения Земли в мировое пространство расположен на длине волны 10 мкм, как и максимум излучения человеческого тела. Не простое ли это совпадение? Мы, дети планеты Земля, имеем общие черты теплового портрета нашей колыбели, сигнализируя об этом в космос. Исследование теплового излучения человеческого тела с помощью тепловизоров дает значительную информа­цию при диагностике различных заболеваний и контроле динамики их развития.

Чрезмерное увлечение ИК излучением, особенно ближней зоны, может привести к ожогам кожи, расстройствам нервной системы, общему перегреву тела человека, нарушению солевого баланса, работы сердца, тепловому удару и т. д.

Исследование ИК спектров различных астрономических объек­тов позволило установить космические источники ИК излучения, присутствие в них некоторых химических соединений и определить температуру этих объектов.

К космическим источникам ИК излучения относятся холодные красные карлики с температурой поверхности 1000-1500°К, ряд планетарных туманностей, кометы, пылевые облака, ядра галактик, квазары и т. д.

Наиболее распространенным источником ИК излучения техно­генного происхождения является лампа накаливания. При темпера­туре нити лампы накаливания 2300-2800°К максимум излучения приходится на длину волны ≈1,2мкм и около 95% энергии излуче­ния приходится на ИК диапазон. Используемые для сушки и нагре­ва лампы накаливания с вольфрамовой нитью мощностью 1 кВт излучают в ИК диапазоне около 80% всей энергии. При понижении температуры общее содержание ИК излучения источника уменьша­ется. При температуре а.ч.т. 1550°К максимум излучения соответ­ствует длине волны λ_m = 1,7мкм. При падении интенсивности в 70 раз максимум интенсивности соответствует λ_m = 10 мкм, а при λ_m = 18 мкм интенсивность уменьшится в 700 раз. К числу спонтан­ных источников ИК излучения техногенного происхождения от­носятся также газоразрядные лампы, угольная электрическая дуга, электрические спирали из нихромовой проволоки, нагреваемые про­пускаемым током, электронагревательные приборы, плазменные установки, печи самого различного назначения с использованием самого различного топлива (газа, угля, нефти, мазута, торфа и т. д.), электропечи, электротехнические устройства с неизбежным превращением доли электрической энергии в тепловую, двигатели внутреннего сгорания, электродвигатели, ракетные и авиационные двигатели, МГД-генераторы, реакторы атомных станций и т. д. Человеческая цивилизация, являясь сложной диссипативной струк­турой, неизбежно связана с тепловым излучением.

Среди некогерентных источников ИК излучения часто использу­ются избирательные излучатели, например, горелка Нернста, Ауэра, имеющие в своем спектре сравнительно мало видимых лучей. Горелка Нернста позволяет получать интенсивные ИК излу­чения в области длин волн около 6 мкм, а горелка Ауэра – в широком диапазоне ИК спектра при λ > 6 мкм.

К числу когерентных техногенных источников с узкой полосой ИК излучения относятся ИК лазеры.

2. ПРОПУСКАНИЕ АТМОСФЕРЫ В ИК ДИАПАЗОНЕ

Коэффициент пропускания К_пр, оптического излучения в какой-либо среде можно в общем виде определять по формуле:

К_пр= exp (aeL), (3)

где ае – коэффициент экстинкции (ослабления); L – длина пути, пройденного излучением.

Коэффициент экстинкции (ослабления) равен сумме коэффициен­тов поглощения и рассеяния, измеряется в обратных единицах длины (см^-1, м^-1 и т.п.). При взаимодействии излучения с атмос­ферной средой происходят, в основном, процессы поглощения (се­лективные и неселективные) и рассеяния (резонансные и диффузные).

Пары воды, молекулы углекислого газа, озона и другие примеси, имеющиеся в атмосфере, селективно поглощают ИК излучение. Особенно интенсивно поглощают ИК излучение пары воды. Напри­мер, слой воды в несколько сантиметров является непрозрачным для ИК излучения с длиной волны более 1 мкм. Поэтому слой воды можно использовать в качестве теплозащитного экрана (фильтра), что и традиционно применяется при тушении пожаров. Молекулы азота, кислорода ослабляют ИК излучение за счет молекулярного (релеевского) рассеяния, которое значительно интенсивнее в види­мом и УФ диапазонах, так как коэффициент релеевского рассеяния пропорционален λ^–4. Именно этим объясняется голубой цвет неба, поскольку ультрафиолетовая компонента видимого света рассеива­ется интенсивнее, чем другие длины волн видимого диапазона.

Рассеяние и поглощение ИК излучения аэрозольными образова­ниями зависит от размера и химического состава частиц, их концентрации, длины волны излучения, географического положения (над морем или над континентом, на экваторе или на высоких широтах) и от других многих факторов и параметров.

В результате влияния всех этих процессов ИК излучение, прохо­дя через атмосферу и достигая земной поверхности, ослабевает.

Изучение свойств земной атмосферы с точки зрения ее прозрач­ности в ИК диапазоне (как и для видимого и УФ диапазонов) имеет большое значение не только для радиационного и теплового балан­са при обмене между падающим на Землю солнечна излучением и ИК излучением, испускаемым ею в космос (обратное излучение Земли), но и для самых различных приложений: связи, локации планет, медицины, экологии, сельского хозяйства, метеорологии, биофизики и т. д.

3. РАДИАЦИОННЫЙ И ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС ЗЕМЛИ

Основным источником энергии для всех процессов, происходя­щих в биосфере, является солнечное излучение. Атмосфера, окружа­ющая Землю, слабо поглощает коротковолновое излучение Солнца, которое, в основном, достигает земной поверхности. Некоторая часть солнечного излучения поглощается и рассеивается атмосфе­рой. Поглощение падающей солнечной радиации обусловлено нали­чием в атмосфере озона, углекислого газа, паров воды, аэрозолей.

Рассеяние падающей радиации Солнца обусловлено процессами взаимодействия излучения с атомами, молекулами газов и аэро­зольными частицами. Прямая и рассеянная компоненты солнечного излучения, достигая земной поверхности частично поглощаются земной поверхностью, а часть падающего излучения отражается от нее в зависимости от характера поверхности. Отражательная спо­собность тел характеризуется величиной альбедо, оценивающей отражательные или рассеивающие свойства (отношение отражен­ной мощности к мощности падающего потока). Например, поверх­ность, покрытая льдом, может отразить 75% и более падающего излучения; песок – примерно 30%; травяной покров – примерно 10%; а водная поверхность – примерно 2%.

Под действием падающего солнечного потока в результате его поглощения земная поверхность нагревается и становится источни­ком длинноволнового (ДВ) излучения, направленного к атмосфере. Атмосфера, с другой стороны, также является источником ДВ излучения, направленного к Земле (так называемое противоизлуче­ние атмосферы). При этом возникает взаимный теплообмен между земной поверхностью и атмосферой. Разность между КВ излучени­ем, поглощенным земной поверхностью и эффективным излучением называется радиационным балансом. Преобразование энергии КВ солнечной радиации при поглощении ее земной поверхностью и ат­мосферой, теплообмен между ними составляют тепловой баланс Земли.

Главной особенностью радиационного режима атмосферы явля­ется парниковый эффект, который заключается в том, что КВ радиация большей частью доходит до земной поверхности, вызывая ее нагрев, а ДВ излучение от Земли задерживается атмосферой, уменьшая при этом теплоотдачу Земли в космос. Атмосфера явля­ется своего рода теплоизолирующей оболочкой, которая препят­ствует охлаждению Земли. Увеличение процентного содержания СО₂, паров Н₂О, аэрозолей и т. п. будет усиливать парниковый эффект, что приводит к увеличению средней температуры нижнего слоя атмосферы и потеплению климата. Основным источником теплового излучения атмосферы является земная поверхность.

Интенсивность солнечного излучения, поглощенного земной поверхностью и атмосферой составляет 237 Вт/м², из них 157 Вт/м² поглощается земной поверхностью, а 80 Вт/м² – атмосферой. Теп­ловой баланс Земли в общем виде представлен на рис. 1.

Рис. 1. Схема теплообмена земли:

КВ – коротковолновое; ДВ – длинноволновое; (→| приток; |→ отток энергии)

Радиационный баланс земной поверхности составляет 105 Вт/м², а эффективное излучение с нее равно разности поглощенной ради­ации и радиационного баланса и составляет 52 Вт/м². Энергия радиационного баланса затрачивается на турбулентный теплообмен Земли с атмосферой, что составляет 17 Вт/м², и на процесс испаре­ния воды, что составляет 88 Вт/м².

Сумма составляющих теплообмена (185 Вт/м²), равна тепловым потерям атмосферы в виде ДВ излучения в космическое пространст­во. Незначительная часть падающего солнечного излучения, кото­рая существенно меньше приведенных составляющих теплового баланса, расходуется на другие процессы, происходящие в атмос­фере.

Рис. 2. Схема теплообмена атмосферы:

КВ – коротковолновое излучение; ДВ – длинноволновое

С тепловым балансом Земли и атмосферы связан водный баланс атмосферы. В целом этот баланс для определенной поверхности соответствует равенству количества выпадающих на Землю осадков (133 см/год) и количеству водных испарений с поверхности Земли (тоже 133 см/год).

Разность испарений с континентов и поверхностей морей и оке­анов компенсируется за счет процессов массообмена водяных паров посредством воздушных течений и стока рек, впадающих в водные акватории земного шара.

4. ТЕПЛОВЫЕ ЗАГРЯЗНЕНИЯ

Реальный тепловой баланс Земли и атмосферы отличается от рассмотренного выше. Насколько, сказать трудно, потому что ко­личественно очень сложно оценить все составляющие этого тепло­вого баланса, непосредственно влияющие на него. Еще труднее оценить те процессы, которые опосредованно влияют на этот ба­ланс за счет техногенной деятельности. Например, увеличение опре­деленных газов и аэрозолей в атмосфере, с одной стороны, несколь­ко уменьшают падающую солнечную радиацию, а песчаные пусты­ни и участки вырубленного леса, с другой стороны, больше отража­ют падающую солнечную радиацию обратно в космос. Таким образом, одни процессы приводят к перегреву Земли, другие – к охлаждению. Помимо роли атмосферы как теплозащитной оболоч­ки и действия парникового эффекта, усугубляемого хозяйственной деятельностью человека, определенное влияние на тепловой баланс нашей планеты оказывают тепловые загрязнения в виде сбросового тепла в водоемы, реки, в атмосферу, главным образом, топливно-энергетического комплекса и, в меньшей степени, от промышлен­ности.

Точный расчет теплового загрязнения окружающей среды и его контроль включают анализ многих параметров и учет многих вза­имосвязанных процессов, вызванных техногенной деятельностью современного общества. В настоящее время эта проблема в полной мере количественно не решена.

Известно, что потребность населения в энергии удовлетворяется за счет электрической энергии. Большая часть электрической энер­гии получается за счет преобразования тепловой энергии, выделя­ющейся при сгорании органического топлива. Доля электрической энергии, получаемой за счет атомных станций и других нетрадици­онных возобновляемых источников энергии, в большинстве стран невелика.

Путем преобразования энергии органического топлива пример­но 30% энергии топлива превращается в электрическую энергию, а 2/3 энергии поступают в окружающую среду в виде теплового загрязнения и загрязнения атмосферы продуктами сгорания. При увеличении энергии потребления будет увеличиваться загрязнение окружающей среды, если не принимать специальных мер. Тепловое загрязнение водоемов и атмосферы имеет место и при эксплуатации атомных электростанций. В настоящее время установлена законо­мерность общего повышения температуры водоемов, рек, атмос­феры, особенно в местах нахождения электростанций, промышлен­ных предприятий в крупных индустриальных районах. В свою оче­редь, это приводит к изменению теплового режима водоемов, что сказывается на жизни биоорганизмов, к возникновению нежелатель­ных воздушных потоков из-за повышения температуры в атмос­фере, изменению влажности воздуха и солнечной радиации и, в ко­нечном случае, к изменению микроклимата.

Плотность искусственной (техногенной) энергии, например, на территории Японии составляет примерно 2 Вт/м², а в Рурском районе Германии, известном большим количеством промышленных предприятий, плотность техногенной энергии, вызванной тепловым загрязнением, составляет примерно 20% от солнечной радиации на поверхности Земли, т. е. примерно 32 Вт/м² оказывается «лишним» тепловым загрязнением. Такие «добавки» к тепловому балансу совершенно не нужны. Источники «сбросового» тепла существен­ным образом влияют на микроклимат прилегающих районов. По мнению метеорологов и экологов, дальнейший рост тепловых за­грязнений в индустриальных районах может вызвать нарушение в общей циркуляции атмосферы всей планеты, влияя на устой­чивость нашей экосистемы.

В рамках настоящего раздела не ставится цель запугать читателя таянием ледников в результате проявления парникового эффекта и тепловых загрязнений, что приведет к глобальному потеплению климата и затоплению больших населенных территорий. С другой стороны, тепловые загрязнения окружающей среды, перегрев Зем­ли, потепление климата заставляют обратить самое серьезное вни­мание на эту проблему с тем, чтобы стимулировать развитие прин­ципиально новых источников энергии, малоотходных технологий, эффективных методов по переработке отходов, действенных мер охраны окружающей среды и постоянно действующего глобального мониторинга биосферы.

5. «КРАСНОЕ» СМЕЩЕНИЕ ЧАСТОТЫ ИЗЛУЧЕНИЯ

В соответствии с теорией относительности, фотоны, двигающие­ся от Земли в космос, должны претерпевать «красное» смещение частоты. Иными словами, излучение, покидающее Землю, становит­ся более длинноволновым. Наоборот, излучение, распространяюще­еся к Земле, претерпевает «голубое» смещение частоты, т. е. излуче­ние становится более коротковолновым, следовательно, для фото­на, покидающего Землю, частота будет всегда уменьшаться при отлете от Земли, а для фотона, летящего к Земле, частота будет увеличиваться (рис. 3). Рассмотрим механическую модель. При падении шарика массой т вся его потенциальная энергия mgH перейдет в кинетическую:

mgH = (4)

где H – высота; g – ускорение земного тяготения; v – конечная скорость при падении.

Рис. 3. Механическая модель земного тяготения.

Представим себе фотон с энергией hv, «пущенный» к Земле (рис. 3, б). В соответствии с теорией относительности можем написать:

Е = mc² = hv (5)

или

(6)

У фотона нет массы покоя, его масса проявляется только в дви­жении. Причем, при движении фотона к Земле его энергия увеличи­вается на величину gH/с², при удалении от Земли энергия фотона уменьшается на величину gH/с². Предположим, что в начальный момент времени у двух фотонов, один из которых находится на Земле, а другой – на высоте H от поверхности Земли, будет оди­наковая энергия, равная hv. При смене этих мест у «верхнего» фотона будет энергия, равная hv(1+gH/c²), и он окажется на по­верхности Земли. У «нижнего» фотона энергия будет равна hv(1–gH/c²), и он окажется на высоте H от поверхности Земли. При движении фотона в поле тяготения происходит относительное изме­нение энергии:

(7)

Для выполнения закона сохранения энергии фотона остается одна возможность – сдвиг частоты («красное» или «голубое» сме­щение):

(8)

где Δφ, Δv – абсолютное изменение соответственно гравитацион­ного потенциала и частоты.

Таким образом, в зависимости от движения фотона от одной точки с определенным гравитационным потенциалом к точке с дру­гим гравитационным потенциалом происходит относительный сдвиг частоты (энергии) фотона. Экспериментально проверить это положение в земных условиях впервые удалось Паунду и Ребке с помощью уникального физического эксперимента с использовани­ем открытого в 1957 г. Рудольфом Мёссбауером эффекта резо­нансной γ-флюоресценции без отдачи (эффект Мёссбауера). Этот изящный эксперимент был проведен в башне Гарвардского универ­ситета, высота которой 22,6 м. Точность в этом эксперименте составляла 5∙10^–16 от энергии γ-квантов (источник Со⁵⁷).

В 1976 г. был поставлен другой эксперимент для проверки по­ложений теории относительности в части смещения частоты фото­нов в гравитационном поле Земли.

Американский ученый Веесо с сотрудниками путем сравнения частот квантовых стандартов частоты на водороде, установленных на Зем­ле и в ракете, запущенной с восточного побережья североамериканс­кого континента на высоту 10⁴ км, удалось получить надежный результат: Δv/v=Δφ/с²=4,5∙10^–10. Для того, чтобы представить трудности эксперимента, можно привести следующие параметры:

- исключение влияния температуры стенок резонатора кван­тового водородного генератора до уровня T < 0,01°С;

- постоянство магнитного поля должно быть не менее 10^–3 Гс;

- полное исключение эффекта Доплера (сдвиг частоты из-за разных скоростей бортового и наземного генераторов. Сдвиг из-за этого эффекта на много порядков больше, чем ожидаемое значение – 4,5∙10^–10 = Δv/v);

- во время полета шли непрерывные локационные измерения положения ракеты с нескольких наземных станций. Ее положение измерялось с точностью 1м, а скорость – до нескольких см в сек.

После завершения эксперимента ракета вместе с оборудованием и приборами упала в океан восточнее Бермудского треугольника. Эти два эксперимента являются малой частью великой истории экспериментальной физики. Таким образом, любое излучение, поки­дающее Землю, становится более длинноволновым, чем в момент «старта» на поверхности Земли перед «отлетом» в космос.

Если смотреть на нашу земную цивилизацию со стороны, из далекого космоса, то разумные существа внеземной цивилизации зарегистрируют два вида излучения:

- первичное излучение от Солнца с температурой около 6000°К (инопланетяне поймут, что это излучение – питающее нас);

- тепловое излучение земной поверхности с температурой при­мерно 300°К (по интенсивности этого излучения инопланетяне сделают вывод об уровне нашей цивилизации).

В случае, когда наша цивилизация будет более эффективно ис­пользовать солнечное излучение с помощью идеальных солнечных батарей (батарей будущего), вынесенных в космос, внеземная циви­лизация зарегистрирует третий вид излучения с температурой 900°К–1500°К (в зоне максимальной чувствительности некото­рых полупроводниковых фотоприемников, Δλ_тах = 2-4 мкм). Это излучение представляет собой отработанную энергию от поверх­ности солнечных батарей. Эта составляющая есть уже сейчас, но она крайне мала, если учесть общую площадь солнечных батарей работающих космических аппаратов. Эффективность современных солнечных батарей тоже невысокая (~25%).

Дата добавления: 2014-03-11; просмотров: 511; Нарушение авторских прав

Мы поможем в написании ваших работ!