alpha Lernen - Physik

Wärmelehre Die Wärmestrahlung

Von: Christian Döllinger

Stand: 29.03.2017

Schau dir zunächst das Video auf die folgenden Fragen hin an:

  • Welcher grundlegende Unterschied besteht zwischen der Wärmeübertragung durch Wärmeleitung und Wärmeströmung einerseits und durch Wärmestrahlung andererseits?
  • Warum ist die Lufttemperatur über einer geschlossenen Schneedecke niedriger als über unbewachsenem Boden?

Weiter unten findest du die Antworten auf die Fragen und vertiefende Informationen.

Die von der Sonne ausgehende Strahlung besteht aus mehreren Komponenten: Den größten Anteil macht das für uns wahrnehmbare sichtbare Licht aus. Daneben strahlt die Sonne mit der ultravioletten und der infraroten Strahlung auch Strahlen ab, die wir nicht direkt wie das Licht wahrnehmen, sondern nur anhand ihrer Wirkungen auf uns Menschen bzw. die uns umgebende Materie identifizieren können.

Bei allen drei Strahlenarten handelt es sich um elektromagnetische Wellen, die sich mit derselben hohen Geschwindigkeit wie das Licht ausbreiten (für die 150 Millionen Kilometer von der Sonne zur Erde benötigen sie gerade einmal ca. achteinhalb Minuten). Sie unterscheiden sich durch ihre Energie: Die ultraviolette Strahlung ist die energiereichste, die infrarote Strahlung besitzt die geringste Energie.

Die Erde besitzt für die besonders energiereiche und daher für das Leben auf der Erde gefährliche ultraviolette Strahlung einen Schutzschirm (sozusagen eine Sonnenbrille) in Gestalt der hauchdünnen Ozonschicht in ca. 30 km Höhe. Erst nach der Ausbildung der Ozonschicht vor mehreren hundert Millionen Jahren konnte das Leben das vor der energiereichen UV-Strahlung schützende Wasser verlassen und sich auf die Landflächen ausbreiten.

Die UV-Strahlung der Sonne lässt sich in drei Komponenten einteilen, die sich in ihrer Energie unterscheiden: die energiereiche UVB und UVC - und die etwas weniger energiereiche UVA-Strahlung. Die beiden energiereichen Komponenten werden durch die Ozonschicht vollständig absorbiert, bevor sie den Erdboden erreichen. Nur der UVA-Anteil kann die Ozonschicht durchqueren und bis zur Erdoberfläche gelangen. Sie ruft z. B. die Bräunung der Haut hervor, kann aber aufgrund ihrer im Vergleich zum Licht immer noch hohen Energie auch Hautkrebs auslösen.

Der infrarote Anteil an der Sonnenstrahlung zeichnet sich dadurch aus, dass er von nahezu allen Oberflächen weitgehend absorbiert wird und nur ein kleiner Teil von ihnen zurückgeworfen oder durchgelassen wird. (Könnten wir infrarote Strahlung wie sichtbares Licht "sehen", so würden uns fast alle Körper sehr dunkel, fast schwarz erscheinen - selbst eine im sichtbaren Licht grell weiß erscheinende Schneedecke - da sie nur einen winzigen Teil der auffallenden infraroten Strahlung zurückwerfen).

Ein Körper, der Strahlung absorbiert, erwärmt sich, weil durch die Absorption die auffallende Strahlungsenergie in thermische Energie umgewandelt wird. Da die Infrarotstrahlung von allen Strahlenarten am weitaus stärksten absorbiert wird, bezeichnet man sie auch als Wärmestrahlung. Die Begriffe Infrarotstrahlung und Wärmestrahlung werden also synonym verwendet.

Jeder Körper emittiert (elektromagnetische) Strahlung.
Die Zusammensetzung der emittierten Strahlung hängt in erster Linie von der Temperatur des Körpers ab: Wir Menschen mit einer Körpertemperatur von ca. 37°C emittieren (wie die Erde mit durchschnittlich 15°C) ausschließlich energiearme Infrarotstrahlung (im Dunklen werden wir daher mit einer Infrarotkamera sichtbar). Die Strahlung einer Glühlampe mit einer Glühdrahttemperatur von ca. 2.300°C besteht zu 95% aus infraroter Strahlung und nur zu 5% aus sichtbarem Licht. Die Sonnenoberfläche hat eine Temperatur von ca. 5.700°C und gibt hauptsächlich das für uns sichtbare Licht, daneben aber auch infrarote und ultraviolette Strahlung ab.

Je höher die Temperatur eines Körpers ist, desto mehr verschiebt sich der Strahlungsschwerpunkt hin zu energiereicheren Strahlen. Es gibt Sterne mit einer Oberflächentemperatur von bis zu 20.000°C, sie emittieren hauptsächlich ultraviolette Strahlung, daneben aber auch noch infrarote Strahlung und sichtbares Licht (und sogar Röntgenstrahlung; alle Sterne emittieren zusätzlich noch Mikrowellen und Radiowellen - die energieschwächsten elektromagnetischen Wellen).

Zwischen dem Emissions- und dem Absorptionsvermögen eines Körpers im Hinblick auf elektomagnetische Strahlung gilt für die meisten Körper ein einfacher Zusammenhang: Je größer sein Absorptionsvermögen ist, desto größer ist auch sein Emissionsvermögen. Bezogen auf die Wärmestrahlung bzw. infrarote Strahlung absorbiert ein Körper mit dunkler Oberfläche bei gleichem Oberflächeninhalt mehr Wärme als ein Körper mit heller Oberfläche, gleichzeitig emittiert er bei gleicher Temperatur aber auch mehr Wärme in Form von infraroter Strahlung.

Häuser werden meist weiß gestrichen. Dadurch wird im Sommer tagsüber ein größerer Teil der von der Sonne ausgehenden Wärmestrahlung reflektiert. Das Innere wird dadurch weniger stark aufgeheizt. Nachts dagegen geben die weißen Hauswände weniger Wärme in Form von Strahlung ab als dunklere und halten dadurch die Wärme besser im Haus. (Die Hauswände strahlen natürlich - wie die Erde selbst - auch tagsüber Wärme ab, gleichzeitig empfangen sie aber zu dieser Tageszeit mehr Wärmestrahlung durch die Sonne, so dass die Wärmeabstrahlung untertags nicht auffällt.)

Energie kann in Form von Arbeit oder Wärme übertragen werden. Die Wärmeübertragung (Übertragung thermischer Energie) kann auf drei verschiedene Arten erfolgen - hier nochmal in der Übersicht:

Die drei Formen der Wärmeübertragung Format: PDF Größe: 1,24 MB

Frage

Welcher grundlegende Unterschied besteht zwischen der Wärmeübertragung durch Wärmeleitung und Wärmeströmung einerseits und durch Wärmestrahlung andererseits?

Antwort

Eine Übertragung von Wärme durch Wärmeleitung und Wärmeströmung ist nur in Materie möglich. Durch Wärmestrahlung kann sich Wärme auch durch den leeren Raum hindurch ausbreiten.

Frage

Warum ist die Lufttemperatur über einer geschlossenen Schneedecke niedriger als über unbewachsenem Boden?

Antwort

Schnee reflektiert das sichtbare Licht nahezu vollständig, infrarote Strahlung wird vom Schnee aber stark absorbiert (an Baumstämmen bilden sich im Schnee Trichter, da die von ihnen ausgehende Infrarotstrahlung vom Schnee stark absorbiert wird). Den Strahlungsgesetzen entsprechend emittiert eine Schneedecke andererseits Infrarotstrahlung in erheblichem Maße und kühlt sich und die aufliegende Luft dadurch ab.