Введение

Способность объекта излучать электромагнитную энергию.

Эмиссионная способность поверхности материала – это мера его эффективности в излучении энергии в виде теплового излучения. Тепловое излучение представляет собой электромагнитное излучение, которое чаще всего включает в себя как видимое излучение (свет), так и инфракрасное излучение, невидимое для человеческого глаза. Определенная часть теплового излучения от очень горячих объектов (см. фотографию) легко воспринимается глазом. Эмиссионная способность поверхности зависит от ее химического состава и геометрической структуры. Количественно, она определяется как отношение теплового излучения от поверхности к излучению от абсолютно черного тела при той же температуре, согласно закону Стефана — Больцмана. (Для анализа конкретных длин волн теплового излучения используется сравнение с законом Планка.) Это отношение изменяется в пределах от 0 до 1. Поверхность идеального черного тела (с эмиссионной способностью 1) излучает тепловое излучение со скоростью приблизительно 448 ватт на квадратный метр (Вт/м²) при комнатной температуре. Обычно объекты имеют эмиссионную способность меньше 1,0 и, соответственно, излучают с меньшей интенсивностью. Однако частицы с длиной волны и субволновым масштабом, метаматериалы и другие наноструктуры могут иметь эмиссионную способность больше 1.

Выпуск

Излучательная способность (или эмиссионная мощность) – это полное количество тепловой энергии, излучаемое с единицы площади за единицу времени по всем возможным длинам волн. Эмиссионная способность тела при заданной температуре – это отношение полной излучательной способности тела к полной излучательной способности абсолютно чёрного тела при той же температуре. В соответствии с законом Планка, общая излучаемая энергия возрастает с температурой, а максимум спектра излучения смещается в область более коротких длин волн. Энергия, излучаемая на более коротких длинах волн, увеличивается с температурой более быстро. Например, идеальное чёрное тело в тепловом равновесии при , будет излучать 97% своей энергии на длинах волн менее 14.

Измерение эмитентности

Излучательная способность поверхности может быть измерена напрямую или косвенно по излучаемой с этой поверхности энергии. При прямом радиометрическом методе энергия, излучаемая образцом, измеряется непосредственно с помощью спектроскопа, например, инфракрасной спектроскопии с преобразованием Фурье (FTIR). При косвенном калориметрическом методе энергия, излучаемая образцом, измеряется косвенно с помощью калориметра. Помимо этих двух широко используемых методов, существует недорогой метод измерения излучения, основанный на принципе двухцветной пирометрии.

Излучаемость планеты Земля

Излучательная способность планеты или другого астрономического тела определяется составом и структурой ее внешней оболочки. В данном контексте под "оболочкой" планеты обычно понимаются как полупрозрачная атмосфера, так и твердая поверхность. Результирующее излучение в космос обычно является основным механизмом охлаждения для этих изолированных тел. Баланс между всеми входящими и внутренними источниками энергии и исходящим потоком регулирует планетарные температуры. Для Земли равновесные температуры оболочки находятся вблизи точки замерзания воды, 260±50 К (–13±50 °C, 8±90 °F). Наиболее интенсивное излучение, таким образом, приходится на диапазон примерно от 4 до 50 мкм, что определяется законом Планка. Излучательные способности атмосферы и компонентов поверхности часто оцениваются отдельно и проверяются на основе спутниковых и наземных наблюдений, а также лабораторных измерений. Эти значения излучательной способности используются в качестве входных параметров в некоторых упрощенных метеорологических и климатологических моделях.

Поверхность

Излучательная способность поверхности Земли (εs) определялась с использованием спутниковых приборов путем непосредственного измерения теплового излучения поверхности в надир через относительно прозрачное атмосферное окно в диапазоне 8–13 мкм. Значения варьируются в пределах εs = 0,65–0,99, при этом самые низкие значения обычно наблюдаются в наиболее бесплодных пустынных областях. Излучательная способность большинства поверхностей превышает 0,9 из-за преобладающего влияния воды, включая океаны, наземную растительность и снег/лёд. Глобальные средние оценки полусферической излучательной способности поверхности Земли составляют около εs = 0,95.

Атмосфера

Вода также доминирует в атмосферной излучательной способности и поглотительной способности планеты в виде водяного пара. Облака, углекислый газ и другие компоненты вносят существенный дополнительный вклад, особенно в областях, где имеются пробелы в спектре поглощения водяного пара. Азот и кислород, основные компоненты атмосферы, взаимодействуют с тепловым излучением в инфракрасном диапазоне в меньшей степени. Прямые измерения излучательной способности атмосферы Земли (εa) сложнее, чем для земной поверхности, отчасти из-за многослойной и более динамичной структуры атмосферы. Верхние и нижние пределы для εa были измерены и рассчитаны в соответствии с экстремальными, но реалистичными локальными условиями. При верхнем пределе плотные низкие облачные образования (состоящие из жидких/ледяных аэрозолей и насыщенного водяного пара) закрывают инфракрасные окна пропускания, создавая условия, близкие к излучению абсолютно черного тела, с εa≈1. При нижнем пределе условия ясного неба (без облаков) способствуют максимальному раскрытию окон пропускания. Более однородная концентрация долгоживущих парниковых газов в сочетании с парциальным давлением водяного пара 0,25–20 мбар приводит к минимальным значениям в диапазоне εa = 0,55–0,8 (при ε = 0,35–0,75 для моделируемой атмосферы, состоящей только из водяного пара). Углекислый газ и другие парниковые газы вносят около ε=0,2 в излучательную способность атмосферы при низкой влажности. Исследователи также оценили вклад различных типов облаков в атмосферную поглотительную способность и излучательную способность. В настоящее время детальные процессы и сложные характеристики переноса излучения через атмосферу оцениваются с помощью моделей общей циркуляции, использующих коды переноса излучения и базы данных, такие как MODTRAN/HITRAN.

Эффективная эмиссивность в атмосфере

IPCC сообщает об исходящем потоке теплового излучения (OLR) 239 (237–242) Вт/м² и потоке поверхностного теплового излучения (SLR) 398 (395–400) Вт/м², где значения в скобках указывают 5–95% доверительные интервалы по данным на 2015 год. Эти значения показывают, что атмосфера (включая облака) уменьшает общую излучательную способность Земли по сравнению с излучением с ее поверхности в 239/398 ≈ 0,60 раза. Иными словами, излучение в космос определяется эффективной излучательной способностью Земли, наблюдаемой из космоса, и эффективной температурой поверхности.

История

Понятия об эмиссионной способности и поглощательной способности, как свойства вещества и излучения, возникли в конце XVIII – середине XIX века в трудах Пьера Превоста, Джона Лесли, Балфура Стюарта и других ученых. В 1860 году Густав Кирхгоф опубликовал математическое описание их взаимосвязи в условиях теплового равновесия (то есть закон Кирхгофа о тепловом излучении). К 1884 году излучательная способность идеального черного тела была установлена Йозефом Стефаном на основе экспериментальных измерений Джона Тиндаля и выведена Людвигом Больцманом из фундаментальных статистических принципов. Эмиссионная способность, определяемая как дополнительный коэффициент пропорциональности в законе Стефана — Больцмана, таким образом, подразумевалась и использовалась в последующих оценках радиационного поведения серых тел. Например, Сванте Аррений применил последние теоретические достижения к своему исследованию 1896 года температуры поверхности Земли, рассчитанной исходя из радиационного равновесия планеты с окружающим пространством. К 1900 году Макс Планк эмпирически вывел обобщенный закон излучения черного тела, тем самым уточнив понятия об эмиссионной и поглощательной способности для отдельных длин волн.