Toplotno sevanje

Toplotno sevanje

Sevanja ne vidimo in ne občutimo, zato nam pri razumevanju večkrat dela preglavice. Težko si je predstavljati količino, ki obstaja le v nekem vzporednem svetu. Tudi fiziki dolgo časa niso vedeli, kaj s tem. Šele Faraday, ki ga je tedanja akademska srenja zasmehovala zaradi njegovih idej in neslavnih akademskih korenin, je prvi pred svojim časom napovedal obstoj te naravne sile, ki je šele z Maxwellovimi enačbami dobila matematično obliko in fizikalne posledice. Danes je v fiziki sevanje dobro raziskano in del tega znanja je prispeval tudi naš veliki učenjak Stefan. Med ljudmi pa kljub temu vlada nek strah pred nevidno močjo. Ta strah izvira iz nerazumevanja, na njem pa jezdijo predstavniki lažne znanosti. O sevanju govorijo prodajalci nalepk, ki ščitijo pred sevanjem mobilnih aparatov. O nekakšnih "kozmičnih" in "zemeljskih" sevanjih govorijo bioenergetiki, ki prodajajo navodila, kako obrniti posteljo. Alternativni zdravilci vam za denar merijo "pozitivna" in "negativna" sevanja, karkoli naj bi že ta bila. Pa tudi mnogi tisti, ki podpihujejo že tako prisoten strah pred navadnimi radijskimi in televizijskimi frekvencami, kujejo dobičke na ta račun. Vsi našteti o sevanju govorijo zelo zavajajoče, če sploh vejo, o čem govorijo. O čem pa govori znanost? Kaj pravzaprav je sevanje in katere vrste sevanj v resnici poznamo?

Toplotno sevanje je elektromagnetno valovanje, ki ga oddaja vsako telo s temperaturo, višjo od absolutne ničle, to je −273,15 ° C oziroma 0 kelvinov (K) ((Ta enota za temperaturo je tako tudi definirana: 0 K je najmanjša možna temperatura, rečemo ji tudi absolutna ničla.)). Nižja temperatura ne obstaja, vsa telesa s temperaturo, večjo kot to, pa sevajo. Tudi vi in vaša skodelica kave in žarnica in sonce. Nobenega prostorčka v vesolju ni, kjer sevanja ne bi bilo, in zelo malo je takih, ki ne sevajo sami ((Reči “zelo malo je prostorčkov brez sevanja” je izredno velikodušno. Tak prostorček obstaja samo v teoriji in še to pod posebnimi pogoji.)).

Toplotno sevanje kot elektromagnetno valovanje opisujemo z enakimi količinami kot druga valovanja, npr. zvočno valovanje ali valovanje na vodi. V slednjih dveh primerih valujejo delci (npr. delci zraka, vode ...), pri elektromagnetnem valovanju pa električno in magnetno polje. Osnovne količine, ki jih pri tem lahko izmerimo, so frekvenca, valovna dolžina in hitrost širjenja valovanja, ki so medsebojno tesno povezane. Elektromagnetno valovanje lahko opišemo že samo z navedbo valovne dolžine ali frekvence, a se je bolj uveljavilo opisovanje z navedbo valovne dolžine ((Količine so med seboj povezane z enačbo hitrost je valovna dolžina krat frekvenca. Pri elektromagnetnem valovanju je hitrost znana, to je hitrost svetlobe, ki znaša 300.000 km/s. Ker je vedno enaka, je ni treba vedno znova navajati, in to je razlog, da lahko tako sevanje opišemo samo z enim parametrom.)).

Količina sevanja je pri nekem telesu določena samo s temperaturo tega telesa, kar je ugotovil naš fizik Jožef Stefan. To pomeni, da lahko, če poznamo temperaturo telesa, v splošnem povemo vse o njegovem sevanju. Max Planck, čudežni deček prejšnjega stoletja in človek, ki bi ga bilo vredno imeti za vzornika, je naravo sevanja raziskal še podrobneje in odkril podrobno povezavo med temperaturo in sevanjem. Če je Stefan ugotovil skupno izsevano energijo glede na temperaturo, je Planck podrobno opisal porazdelitev sevanja po valovnih dolžinah. Porazdelitev ima takšno obliko:

Sevanje pri 300K

Na zgornjem grafu je ilustrirano, kako telo s temperaturo 300 K s sevanjem oddaja energijo. Vijuga predstavlja nekakšen prstni odtis sevanja, odvisnost izsevane energije od valovne dolžine, torej pri katerih valovnih dolžinah to telo seva z večjo energijo in pri katerih z manjšo. Valovne dolžine označuje vodoravna os na grafu. Merilo na vodoravni osi je v mikrometrih ((Mikrometer je milijoninka metra. Za občutek: debelina lasu je okrog 50 mikrometrov, bakterije so tipično velike okrog 10 mikrometrov.)). Oddano energijo odčitamo z navpične osi, enota pa je tako kvačkanje, da ga rajši ne omenjam. Graf prikazuje sevanje telesa pri 300 K/27 ° C, kar je približno sobna temperatura. Vse to, kar je pod črto pobarvano, prikazuje skupno izsevano energijo. Za kakšno drugo temperaturo bi bilo treba narisati nov graf in pobarvati večjo ali manjšo energijo. Vidimo, da se pri sobni temperaturi največ energije odda pri valovni dolžini med 5 in 20 mikrometrov, pri 40 mikrometrih je sevanja že krepko manj, pri 80 mikrometrih pa je že povsem zanemarljivo. To telo bo sevalo tudi v vseh ostalih valovnih dolžinah, vendar še toliko manj.

Če bi imeli radijski sprejemnik, občutljiv na navedene valovne dolžine, bi lahko “slišali”, kako tako telo seva. Z odmikom od najbolj energijske valovne dolžine pa energija hitro postaja manj in manj očitna, dokler se ne porazgubi v nezaznavnosti. O radijskih valovih, ki so na hladnejšem delu spektra, na grafu desno, bom pisal drugič. Poglejmo si najprej sevanja v vidnem spektru in v njegovi bližini, ker so nam ta še najbolj domača, da dobimo občutek.

Pri zgoraj narisani temperaturi telo, recimo da je človek, izseva največ energije v infrardečem spektru, zato lahko z infrardečo kamero vidimo ljudi tudi v temi. Taka kamera zazna elektromagnetna valovanja tistih valovnih dolžin, ki jih naše oko ne zaznava več. Pri višji temperaturi je tudi več sevanja. Če bi poleg tega človeka postavili še skodelico z vročo kavo, ki bi imela naprimer 50 ° C, bi vroča vsebina sevala več infrardeče energije. Če bi tudi to posneli z zgoraj omenjeno infrardečo kamero, bi bila vroča kava videti bolj svetla kot oseba, ki jo pije. Ta razlika v infrardeči svetlosti se uporablja pri fotografiranju in snemanju v temi, saj v infrardečem območju telo pri “naših” temperaturah samo od sebe seva energijo, vidna svetloba pa se zgolj odbija od njega v naše oči ali fotoaparat.

Na tem video posnetku se gospod igra z infrardečo kamero in jo testira. Jasno se vidijo različne temperature predmetov in kako se toplota pretaka iz enega v drugega. Fizikalna osnova za posnetek je ravno toplotno sevanje predmetov v infrardečem spektru. Kamera tako sevanje zazna, kot bi zaznala vidno svetlobo, in ga nato prikaže na ekranu.

Pa segrejmo telo za nekaj stopinj, da vidimo, kaj se zgodi s sevanjem:

Sevanje pri 300K in 1000K na linearni skali.

Temperaturo smo povečali na 1000 K, energija sevanja je označena z rdečo. Z modro je na istem grafu narisan prejšnji graf s 300 K. Iz tega grafa se sicer vidi, kolikokrat več izseva telo pri večjih temperaturah, v glavnem pa se ne vidi ničesar. Razlike v izsevani energiji so tako ogromne, da 300 K sevanja ostane le še za vzorec, pa še to sem verjetno čisto pretiraval. Od sedaj naprej bom risal grafe z logaritemskimi skalami. Pri teh naslednja črtica ne pomeni za deset več (10, 20, 30 …), ampak desetkrat več (10, 100, 1000 …). Ta graf naj vseeno ostane za opomin, o kakšnih razlikah je v resnici govora.

No, pa si poglejmo, kako izgleda graf ((Mavrica gre z desne proti levi od rdeče proti rumeni do modre. Modra barva je vroča, rdeča je hladna (ravno obratno od pipe). Energija se veča od dolgih valov/nizke frekvence/hladno/rdeče do kratkih valov/visoke frekvence/vroče/modro. Pri večjih temperaturah je več rumene. Dovolj visoke temperature zdrsnejo z vidnega spektra mimo modre v ultravijolično.)), ki bo kaj povedal. Pri tem grafu pri navpični osi vsaka črtica pomeni stokrat več energije:

Sevanja pri značilnih temperaturah.

Če povečamo temperaturo telesa na 1000 K/700 ° C, potem njeno sevalno funkcijo opiše zelena krivulja. Zelena krivulja izseva velik del energije v infrardeči spekter. Zanimiv pa je predvsem del, ki sega na območje vidne svetlobe, ki je na grafu označen z mavrico in črtkano črto ((Kot območje vidne svetlobe šteje sevanje z valovno dolžino med približno 390 in 750 nanometri.)). Telesa s to temperaturo že sevajo lastno svetlobo v spektru, ki ga lahko vidimo, in infrardečo kamero lahko kratkomalo vržemo stran. Tako sevanje je najmočnejše v območju vidne rdeče barve, ko pa temperatura raste, pa lahko seže tudi v rumeno. Iz vsakdanjih izkušenj vemo, da je plamen rdeče barve, ko gorijo drva, ker ta gorijo približno pri tej temperaturi. Kar opazujemo, ko opazujemo goreča drva, je elektromagnetno sevanje telesa s temperaturo okrog 700 ° C.

Da, vid lahko uporabimo tudi kot merilnik temperature na daljavo. Ljudje imamo v glavo vgrajen pravi daljinski detektor temperature! Vroča lava ima temperature do 1000 ° C, zato je videti rdeče do svetlordeče barve. Razbeljena lava je bolj rumenkaste barve. Takrat vemo, da se temperature gibljejo že okrog 1200 ° C, kjer se, za razliko od temperature gorenja drv, že več izsevane energije pojavi v rumenem spektru. Merilniki temperature na daljavo pravzaprav le merijo barvo svetlobe, a to počnejo bolj natančno kot naš “bionični” vid. Valovna dolžina sevanja in barva sta tako povezana, da fiziki večkrat pojem barve kar razširijo na celoten spekter sevanja in tudi infrardeče, ultravijolične, radio- ali mikrovalove imenujejo kar “barva”.

Z izsevano energijo je povezana slabost navadnih žarnic z žarilno nitko. Žarilna nitka žari s temperaturo okrog 2700 K in jo v grobem predstavlja rumena krivulja. Na njej se vidi, da takšne žarnice veliko večino izsevane energije izsevajo v infrardečem spektru, kar občutimo kot toploto. Te žarnice so torej najprej grelci, šele nato sijalke, kajti le 10 % energije se pretvori v vidno svetlobo. Infrardeče žarijo s toliko manjšo temperaturo, da še več izsevajo v infrardečem spektru, in jih uporabljamo v terarijih s tropskimi hladnokrvnimi živalmi ravno zaradi njihovega grelnega učinka ((Mnoge infrardeče žarnice so celo prevlečene s filtrom, ki prepušča samo infrardeči spekter in čimbolj zadrži vidno svetlobo.)). Vsi vemo, da niti svetloba navadne žarnice nikakor ni enaka dnevni svetlobi.

Sonce namreč gori s kar 6000 K ((To je temperatura na površini sonca, sončeva sredica je nekaj tisočkrat bolj vroča.)), kar prikazuje rdeči graf. Telo s tako temperaturo izseva svoj maksimum v frekvenci zelene barve, kar pomeni, da Sonce največ energije odda v tem spektru. Na Zemlji se takorekoč kopamo v morju zelene svetlobe, zato so se tudi naše oči razvile tako, da so najbolj občutljive prav za to valovno dolžino. Vsi se še spomnimo zelenih šolskih tabel, ki so bile zelene, da se na njih oči ne bi preveč naprezale. Zakaj so se pa rastline razvile tako, da odbijajo in s tem zavržejo ravno zeleno barvo, to Sončevo energijo, ki je v največjem izobilju, pa je še vedno skrivnost ((Zakaj niso rastline črne? Članek je v angleščini. http://thesymbiont.blogspot.com/2010/09/why-arent-plants-black-true-evo.html)). To je le še en dokaz, da evolucija ni inženirski postopek in da so bitja redko popolna. Če vas zanima več o nepopolnostih evolucije, si preberite Majin članek ali pa kar knjigo, o kateri govori.

Pri sončevi temperaturi veliko sevanja uide že v ultravijolični spekter, ki pa je za nas že nevaren. Fizika nas uči, da višje frekvence in s tem krajše valovne dolžine vsebujejo več energije. Ta pri UV-sevanju prestopi mejo, ki je za človeka škodljiva, ker že lahko vpliva na strukturo naših genov in je lahko vzrok za kožnega raka.

Naše sonce je eno izmed najbolj vročih teles, ki jih običajni ljudje v običajnem življenju srečamo, v kozmičnem smislu pa je povsem povprečno, kakorkoli pogledamo. Če bi bil naš vir življenja tako vroč kot najbolj vroča odkrita zvezda tega tipa ((Naše sonce je klasificirano kot zvezda glavne veje (ang.: main sequence star), kar pomeni, da je v odrasli dobi življenja, če ga primerjamo z življenjsko dobo ljudi.)), Eta Gredlja ((Zvezda Eta Gredlja (ang.: Eta Carinae) bo ravno zaradi svoje vročine živela občutno krajše življenje kot naše sonce in lahko zdaj zdaj eksplodira v supernovo. Astronomske merske enote so večkrat nezemeljske in tudi tukaj “zdaj zdaj” pomeni nekje v naslednjem milijonu let.)), bi imel temperaturo 40.000 K ((Tudi tu je govora o temperaturah na površinah zvezd, znotraj njih namreč vladajo mnogo večje temperature.)), to je kar šestkrat več, kot jo ima zdaj ((Če pogledamo vse zvezde, ne pa samo zvezde glavne veje, potem so najbolj vroče bele pritlikavke (ang.: white dwarfs). Ena najbolj vročih med njimi leži v sredini planetarne meglice, imenovane NGC 2240, in ima temperaturo kar 300.000 K!)).

Eta Gredlja, zvezda na robu uničenja. (Foto: NASA/Esa Hubble Space Telescope)

Velika večina energije take zvezde, kar desettisočkrat več kot Sonce v vidnem spektru, bi bila izsevana v območju približno 85 nanometrov ((Nanometer je tisočinka mikrometra. Za občutek: virus hepatitisa je velik 45 nanometrov, molekula glukoze je velika okrog 1 nanometer. Zdaj ste pa gotovo dobili občutek.)). Za predstavo: najnevarnejši sončni žarki so za nas sevanje UV-B, ki se nahaja pri okrog 300 nanometrih, sevanje te zvezde, hipotetičnega bolj vročega vira energije od Sonca, bi bilo bolj močno, tudi bolj močno kot UV-C pri 200 nanometrih, tako močno, da sploh nimamo izraza za to, kajti izraz UV-D ne obstaja. No, pod takim soncem bi imeli veliko več vseh ostalih težav, tako da si s sončnimi kremami ne bi posebej belili glave. Ta, bolj energijski del sevanja je zelo zanimiv ravno zaradi tega, ker so energije žarkov že dovolj velike, da se začnejo vmešavati v kemijsko in fizikalno zgradbo snovi in procese. Takim sevanjem pravimo ionizirajoča. Nevarna ionizirajoča sevanja z zelo majhnimi valovnimi dolžinami in na drugi strani radio sevanja z zelo dolgimi valovnimi dolžinami bom opisal prihodnjič. Do takrat pa koga, ki vam govori o negativnem ali kozmičnem ali kakem drugem sevanju, le povprašajte, o katerih valovnih dolžinah govori in kje je telo, ki seva.

Več:

  1. Poučen kratek video o toplotnem sevanju: http://www.youtube.com/watch?v=RlV6lEu5CBk
  2. Vidna svetloba je izraz za svetlobo, ki je vidna našemu očesu. CCD čip v digitalnih fotoaparatih ni sam od sebe omejen na to svetlobe, ampak je pred njim filter, ki infrardečo svetlobo filtrira. Tu so napotki, kako z odstranitvijo tega filtra iz navadnega aparata naredimo infrardeči fotoaparat: http://www.geektechnique.org/projectlab/254/how-to-turn-a-digital-camera-into-an-ir-camera.html
  3. Daljša in veliko bolj izčrpna lekcija v več delih o elektromagnetnem valovanju: 1. del: http://www.youtube.com/watch?v=cjw5FJd5d0Q 2. del: http://www.youtube.com/watch?v=o0NyvzhVrIE 3. del: http://www.youtube.com/watch?v=PSodn67g3LU 4. del: http://www.youtube.com/watch?v=XnGFR2mj-8g 5. del: http://www.youtube.com/watch?v=pSYA8j8PF6Y

Avtor naslovne slike: sentrawoods