Temperaturstråling – Niels Bohr Institutet - Københavns Universitet

25. november 2010

Temperaturstråling

Hej Spørg om Fysik
Hvis man forestiller sig, at man (velsagtens med en stærkt nedkølet detektor) kunne måle varmestrålingen fra en lille kugle (f.eks. 1 liter) atmosfærisk luft, hvordan ville spektret så se ud ved 20 grader celsius? Ved 0 grader? ved -20 grader? Har man gjort noget i den stil i praksis? Hvis ja, hvordan?

Det lille billede fra forrige side: Termografi af hænder med forskelligt blodgennemløb pga. sygdom, Opløsningsevnen her er 0,24 grader.

Med venlig hilsen
P R

Når man måler varmestrålingen fra "noget", vil detektoren se al stråling fra måleretningen. Retter man en detektor imod en liter luft, vil detektoren altså se luften og alt bagved luften, fordi luften er gennemsigtig.

Skal man have detekteret strålingen fra luft, skal dybden af luftrummet altså være så stor, at detektoren ikke kan se den anden ende, og det betyder, at luftsøjlen skal nå langt ud over horisonten, og at detaljer som vanddamp, andre evt. farvede gasser, skyer og støv vil få en fremtrædende rolle, og være afgørende for resultatet. Rayleigh spredning og andre former for spredning i gassen vil desuden få stor betydning, jævnfør vores "blå" himmel. Detektoren vil desuden kunne se spektrallinjer, som resultat de af ionisering eller luftartens atomer eller molekyler, som er slået i højere energitilstande (hvis den måler over et tilstrækkeligt bredt spektrum).

Principielt måler man Planckstråling ved alle temperaturer med en række detektorer (pyrometre), der ganske rigtigt afhænger af temperaturområdet. En af de mest almindelige er de moderne strålingstermometer, som anvendes til alt fra at måle jernets temperatur i en højovn (over 1538 ˚C) til at levnedsmiddel kontrollens måling af dybfrysertemperaturen i et supermarked (måske -22 ˚C). 

Her må i visse tilfælde anvendes passende korrektionsfaktorer, som tager højde fra forskellen imellem det aktuelle målested "farve" og et absolut sort legeme. I begge tilfælde kan der være en masse luft imellem strålingskilden og måleren. Luften "ses" ikke, kun de faste stoffer som udsender temperaturstrålingen ses af måleapparatet.

Infrarøde detektorer viser temperaturforskelle
Teknikken benyttes jo også til kontrol af huses isolation, hvor termiske TV optage apparater kan vise temperaturforskelle, som kan være under en grad, hvis der er behov for det. Tilsvarende findes apparater, som ved måling af hud temperaturer kan hjælpe med diagnoser omkring f.eks. blodomløb og sygdomme. Som måske bekendt har en række giftslanger et sæt gruber i hovedet, som kan måle den termiske stråling fra smådyr så nøjagtigt, at de kan ramme dem om natten med deres gifttænder. Det der tæller er altså ikke nødvendigvis detektorens temperatur, men forskel i stråling imellem baggrunden, og det ønskede objekt. 

Termografibillede til husisolationsformål.

Til militært brug er udviklet infrarøde detektorer (fjernsyn), som tillader observation af personer ude i naturen ved hjælp af den varmestråling personen udsender (også igennem tøjet). De er aktive på afstande i størrelsesorden km, så også her er der en del luft imellem måler og objekt, som ikke kan ses i form af stråling.

En sort genstand under samme omstændigheder, som nævnt ovenfor, vil give en Planckkurve, som er det strålingstermometrene er kalibreret til, i forhold til i et passende spektralområde.

Andre metoder til måling af temperaturforskelle
Strålingsdetektorer lavedes før i tiden enten af ganske små termoelementer, evt. anbragt i fokuspunktet af et hulspejl, hvor man så måler spændingen, eller af tilsvarende små sortmalede meget lette modstande, hvor man måler modstandens størrelse i en bro (bolometer). Der anvendes også kapsler med luft, hvor kapslen har sortmalede sider, og hvor trykket i luften så måles. Disse er så ofte kombineret med en chopper der åbner og lukker for strålingen periodisk med perioder på f.eks. 1 sek..

I dag som regel af halvledere, som er termisk følsomme i stedet. Der er til rumbrug udviklet meget temperaturfølsomme halvledere, som i dag bruges i strålingstermometer og herunder i Gymnasiet til strålingsmålinger. En af de andre måder man her kan detektere en gas, er ved at sende lys fra en glødelampe igennem en ca. 10-20 cm lang cylinder med tynde vinduer af gennemsigtig plast i enderne. Man kan så let måle forskel på den tilførte energi til målesonden, når der er atmosfærisk luft eller en drivhusgas f.eks. vanddamp, CO2 eller metan i cylinderen. Her er der ikke tale om udstråling fra en gas, men absorption i gassen. De simple strålingstermometer måler oftest totalstrålingen de modtager, men det er muligt med f.eks. refleksionsgitre at få strålingsspekteret i stedet.

Se også:

Termisk billede af Jorden

Skal man finde gasser (i almindelig gasform eller plasmaform), som man kan måles stråling fra, kan man bl.a. finde dem i rummet. Et oplagt eksempel er solen, hvor man kan måle planckkurven og se maksimum i gult. Der er endelig en gas vi ikke kan se igennem i det optiske område. Desuden Jupiter, Saturn og andre gasplaneter. Det gælder så principielt også alle andre stjerner, men her måles temperaturen normalt ikke ved direkte optagelse af en planckkurve, intensiteten er for lille, man måler normalt intensiteten i udvalgte farver. Gasskyer i rummet kan også måles ligesom, man jo måler eftergløden efter Big Bang på brint, som en linje i radioområdet.

http://www.nbi.ku.dk/spoerg_om_fysik/astrofysik/bibbang/

Med venlig hilsen
Malte Olsen