Кіріспе
Объектінің электромагниттік энергияны сәулелендіру қабілеті. Материалдың бетінің эмиссивтігі – жылу сәулелену түрінде энергияны шығарудағы тиімділігі. Жылу сәулелену – электромагниттік сәулелену, ол көбінесе көзге көрінетін сәулеленуді (жарық) және адам көзімен көрінбейтін инфрақызыл сәулеленуді қамтиды. Өте ыстық заттардан (суретке қараңыз) шығатын жылу сәулеленудің бір бөлігі көзге оңай көрінеді. Беткейдің эмиссивтігі оның химиялық құрамы мен геометриялық құрылысына байланысты. Сандық тұрғыдан алғанда, бұл Стефан-Болцман заңымен берілгендей, бірдей температурадағы идеал қара дененің сәулеленуіне шаққандағы беткейден шығатын жылу сәулеленуінің қатынасы. (Жылу сәулеленуінің нақты толқын ұзындықтарын қарастырғанда Планк заңымен салыстыру қолданылады.) Бұл қатынас 0-ден 1-ге дейін өзгереді. Идеал қара дененің (эмиссивтігі 1) беті бөлме температурасында шамамен 448 ватт шаршы метрге (Вт/м²) жылу сәулелендіреді. Көптеген объектілердің эмиссивтігі 1.0-ден төмен болады, сондықтан олар сәулеленуді тиісінше төмен деңгейде шығарады. Дегенмен, толқын ұзындығы және субтолқындық өлшемдегі бөлшектер, метаматериалдар және басқа да наноқұрылымдар 1-ден жоғары эмиссивтікке ие болуы мүмкін.
The emissivity of the surface of a material is its effectiveness in emitting energy as thermal radiation. Thermal radiation is electromagnetic radiation that most commonly includes both visible radiation (light) and infrared radiation, which is not visible to human eyes. A portion of the thermal radiation from very hot objects (see photograph) is easily visible to the eye. The emissivity of a surface depends on its chemical composition and geometrical structure. Quantitatively, it is the ratio of the thermal radiation from a surface to the radiation from an ideal black surface at the same temperature as given by the Stefan–Boltzmann law. (A comparison with Planck's law is used if one is concerned with particular wavelengths of thermal radiation.) The ratio varies from 0 to 1. The surface of a perfect black body (with an emissivity of 1) emits thermal radiation at the rate of approximately 448 watts per square metre (W/m) at a room temperature of
Objects generally have emissivities less than 1.0, and emit radiation at correspondingly lower rates. However, wavelength and subwavelength scale particles, metamaterials, and other nanostructures may have an emissivity greater than 1.
Шығаратын энергия
Эмитенция (немесе эмиссиялық қуат) – барлық мүмкін толқын ұзындығы үшін бірлік уақытта бірлік ауданнан шығарылатын жылу энергиясының жалпы мөлшері. Белгілі бір температурадағы дененің эмиссивтілігі – сол температурадағы толық қара дененің эмиссиялық қуатына шаққандағы дененің жалпы эмиссиялық қуатының қатынасы. Планк заңына сәйкес, сәулеленудің жалпы энергиясы температурамен бірге артады, ал сәулелену спектрінің ең жоғарғы нүктесі қысқа толқын ұзындықтарына қарай жылжиды. Температураның өсуімен қысқа толқын ұзындығындағы энергия тезірек артады. Мысалы, термиялық тепе-теңдіктегі идеал қара дене энергиясының 97% -ын 14-тен кішкентай толқын ұзындығында шығарады.
Эмитентті өлшеу
Бір беттің сәуле шығару қабілетін сол беттен шығатын энергиядан тікелей немесе жанама түрде өлшеуге болады. Тікелей радиометриялық әдісте, сынамадан шығатын энергия Фурье түрлендіру инфрақызыл спектроскопиясы (FTIR) сияқты спектроскоп арқылы тікелей өлшенеді. Жанама калориметриялық әдісте, сынамадан шығатын энергия калориметр арқылы жанама түрде өлшенеді. Бұл екі кең таралған әдісқа қоса, екі түсті пирометрия принципіне негізделген, төмен бағалы сәуле шығаруды өлшеу техникасы да бар.
Жер планетасының сәуле шығаруы
Планетаның немесе басқа астрономиялық дененің сәуле шығару қабілеті оның сыртқы қабығының құрамы мен құрылымымен анықталады. Бұл контексте планетаның "терісі" оның жартылай өткізгіш атмосферасымен және газ тәрізді емес бетімен бірге қарастырылады. Нәтижесінде, кеңістікке таралатын радиациялық эмиссиялар мұндай оқшауланған денелер үшін негізгі салқындату механизмі болып табылады. Барлық кіріс энергиясының, соның ішінде ішкі көздердің, шығыс ағынымен арақатынасы планета температурасын реттейді. Жер үшін тепе-теңдік тері температурасы судың қату нүктесіне жуық, 260±50 К (13±50 °C, 8±90 °F). Ең жоғары энергиялы эмиссиялар шамамен 4-50 мкм аралығында Планк заңымен анықталады. Атмосфера мен жер беті компоненттерінің эмиссивтіліктері көбінесе жеке-жеке өлшеніп, спутниктік және жердегі бақылаулармен, сондай-ақ зертханалық өлшемдермен салыстырылып тексеріледі. Бұл эмиссивтіліктер кейбір қарапайым метеорологиялық және климаттық модельдерде енгізілетін параметрлер ретінде қолданылады.
Жер бетінің
Жер бетінің сәуле шығару қабілеті (εs) спутниктік құралдар арқылы жер бетінен тікелей жылулық сәуле шығаруды 8-13 мкм толқын ұзындығындағы атмосфералық терезе арқылы бақылау арқылы анықталды. Мәндер шамамен εs=0,65-0,99 аралығында, ең төменгі мәндер көбінесе өте шөлді аймақтармен шектеледі. Судың басымдығына байланысты көптеген жер беті аймақтарының сәуле шығару қабілеті 0,9-дан жоғары, оның ішінде мұхиттар, құрлықтағы өсімдіктер және қар/мұз жатады. Жер бетінің жарты шарлық сәуле шығару қабілетінің жаһандық орташа есебі шамамен εs=0,95 құрайды.
Атмосфера
Су сонымен қатар планетаның атмосфералық эмиссивтілігі мен су буы түріндегі сіңіру қабілетіне үстемдік етеді. Бұлттар, көмірқышқыл газы және басқа компоненттер, әсіресе су буының сіңіру спектріндегі саңылаулар болғанда, маңызды қосымша үлес қосады. Атмосфераның негізгі компоненттері – азот пен оттегі – инфрақызыл диапазондағы жылулық сәулеленумен салыстырмалы түрде аз әрекеттеседі. Жердің атмосфералық эмиссивтілігін (εa) тікелей өлшеу, жер бетінен өлшеуге қарағанда қиын, себебі атмосфераның көп қабатты және динамикалық құрылымы бар. Жоғарғы және төменгі шектер өлшеніп, есептелді, бұл жергілікті жағдайларға сәйкес εa үшін. Жоғарғы шекте, тығыз төменгі бұлт құрылымдары (сұйық/мұз аэрозольдері мен қаныққан су буынан тұрады) инфрақызыл тарату терезесін жауып, εa≈1 қара дене жағдайын тудырады. Төменгі шекте, ашық аспан (бұлтсыз) жағдайлары тарату терезелерінің ең үлкен ашылуына мүмкіндік береді. Ұзақ өмір сүретін парниктік газдардың біркелкі концентрациясы, 0,25-20 мбар су буы қысымымен бірігіп, εa = 0,55-0,8 диапазонындағы ең төменгі мәндерді береді (тек су буы атмосферасы үшін ε = 0,35-0,75). Көмірқышқыл газы және басқа парниктік газдар атмосфералық ылғалдылық төмен болған кезде εa-ға ε=0,2 шамасында үлес қосады. Зерттеушілер әртүрлі бұлт түрлерінің атмосфералық сіңіру және эмиссияға қосқан үлесін де бағалады. Бүгінде атмосфера арқылы сәулеленудің күрделі процестері мен қасиеттері жалпы айналым модельдері арқылы бағаланады, олар үшін сәулелену тасымалдау кодтары мен MODTRAN/HITRAN сияқты деректер базасы қолданылады.
Атмосфераға байланысты тиімді эмиссивтілік
IPCC 239 (237–242) Вт/м² шығыс жылулық сәулелену ағыны (OLR) және 398 (395–400) Вт/м² беткі жылулық сәулелену ағыны (SLR) туралы хабарлайды, мұнда жақшадағы сандар 2015 жылғы 5–95% сенімділік аралықтарын көрсетеді. Бұл мәндер атмосфера (бұлттарды қоса) Жердің жалпы сәуле шығару қабілетін, оның жер бетінен шығатын сәулеленуге қатысты 239/398 ≈ 0,60 есеге төмендететінін көрсетеді. Яғни, ғарышқа шығатын сәулелену Жердің ғарыштан көрінетін тиімді сәуле шығару қабілеті (ε) және жер бетінің тиімді температурасы (T) арқылы анықталады.
Тарих
Материя мен сәулеленудің қасиеттері ретінде эмиссивтілік және абсорбция ұғымдары Пьер Превост, Джон Лесли, Балфур Стюарт және басқалардың 18-шы ғасырдың соңынан 19-шы ғасырдың ортасына дейінгі еңбектерінде пайда болды. 1860 жылы Густав Кирхофф олардың жылулық тепе-теңдік жағдайындағы байланысының математикалық сипаттамасын жариялады (яғни Кирхоффтың жылулық сәулелену заңы). 1884 жылы идеалды қара дененің сәуле шығару қабілетін Джозеф Стефан Джон Тиндаллдың тәжірибелік өлшемдерін пайдаланып анықтады, ал Людвиг Болцман оны негізгі статистикалық принциптерден туындырды. Эмиссивтілік, Стефан-Болцман заңының қосымша пропорционалдық коэффициенті ретінде анықталғандықтан, сұр денелердің сәулелену қасиеттерін бағалауда қолданылды. Мысалы, Сванте Аррениус 1896 жылы Жердің беткі температурасын зерттеуде, осы температура планетаның ғарышпен жылулық тепе-теңдігінен есептелді, соңғы теориялық жетістіктерді қолданды. 1900 жылы Макс Планк қара дене сәулеленуінің жалпыланған заңын эмпирикалық түрде шығарды, осылайша эмиссивтілік пен абсорбция ұғымдарын жеке толқын ұзындықтары бойынша нақтылады.