Gasstrahlung: Unterschied zwischen den Versionen

Aktuelle Version vom 18. März 2021, 22:17 Uhr

Gasstrahlung bezeichnet die Wärmestrahlung von Gasen. Vereinfachend wird der Einfluss von Gasen zwischen zwei im Strahlungsaustausch stehenden Körpern fast immer vernachlässigt.

Allgemeine Zusammenhänge

Gase absorbieren und emittieren elektromagnetischen Strahlung, z. B. sichtbares Licht, anders als andere Aggregatzustände von Materie: bei Gasen sind diese Effekte abhängig von der Wellenlänge $\lambda$ der Strahlung („Strahlungsband“):

Absorptionsgrad $\alpha =\alpha (\lambda )$
Transmissionsgrad $\tau =\tau (\lambda )$
Reflexionsgrad $\rho =\rho (\lambda )$

Es gilt:

\alpha (\lambda )+\tau (\lambda )+\rho (\lambda )=1

.

Ohne Reflexion, also $\rho (\lambda )=0$ , folgt:

\alpha (\lambda )+\tau (\lambda )=1

.

Ein Gas kann nicht als grauer Strahler angesehen werden und es kann für ein Gas auch kein gemittelter Emissionsgrad angegeben werden.

Wie an Grenzflächen flüssige oder fester Medien, können auch Grenzflächen von Gasen elektromagnetische Strahlung reflektieren.

Einfluss in der Erdatmosphäre

Absorption und Streuung von Strahlung durch die Erdatmosphäre.

Das Strahlungsverhalten des Gasgemisches Luft ist nicht trivial zu bestimmen. Luft besteht im Wesentlichen aus den fünf Gasen Stickstoff (N₂), Sauerstoff (O₂), Wasserdampf (H₂O), Argon (Ar) und Kohlenstoffdioxid (CO₂), somit setzt sich das Strahlungsverhalten von Luft aus Beiträgen dieser fünf Gase zusammen. Trotz ihres großen Anteils beeinflussen Stickstoff und Sauerstoff das Strahlungsband von Luft kaum, denn aufgrund des symmetrischen Aufbaus dieser Moleküle aus zwei gleichen Atomen sind sie nicht IR-aktiv, d. h., sie absorbieren und emittieren keine Infrarotstrahlung durch Molekülschwingungen, sondern maximal durch elektronische Anregung bei höheren Frequenzen. Auch Argon ist als Edelgas nicht IR-aktiv. Letztendlich besitzt Luft somit ein Strahlungsband, welches sich hauptsächlich aus der Kombination der Rotations-Schwingungs-Spektren von CO₂ und H₂O zusammensetzt. Es liegt genau in dem für den Treibhauseffekt relevanten Bereich der infraroten Strahlung mit Wellenlängen größer 1 µm. Somit tragen diese beiden Gase wesentlich zur Erwärmung der Erdatmosphäre bei, da sie die Strahlung nicht ungehindert in den Weltraum entlassen (Treibhausgase). Gleichzeitig ermöglichen sie der Atmosphäre, Energie per Ausstrahlung in den Weltraum abzugeben.

Auch bei der Abkühlung der Erdoberfläche in der Nacht spielt die Gasstrahlung eine wesentliche Rolle: Da nachts keine Sonneneinstrahlung stattfindet, kühlt der Erdboden durch Wärmeabstrahlung in den Nachthimmel ab. Allerdings sendet die Luftschicht, die sich direkt über der Erdoberfläche befindet, aufgrund der Gasstrahlung auch wieder Wärmestrahlung auf die Erdoberfläche zurück, was die Abkühlung des Bodens um einen gewissen Betrag mindert. Da diese Rückstrahlung entgegen der gewöhnlichen Abstrahlrichtung erfolgt, wird sie atmosphärische Gegenstrahlung genannt.

Literatur

Heinz Herwig: Wärmeübertragung-Physikalische Grundlagen. Vieweg+Teubner Verlag, Hamburg 2006, ISBN 3-8348-0755-9.
Thomas Hertel: Ein Modell für die Berechnung der Gasstrahlung und seine Anwendung bei der Entwicklung eines einfachen Feuerraum-Berechnungsverfahrens. Dissertation, Darmstadt 1992.
Carl Kramer, Alfred Mühlbauer (Hrsg.): Praxishandbuch Thermoprozess-Technik. Bd. 1: Grundlagen – Verfahren. Vulkan Verlag, Essen 2002, ISBN 3-8027-2922-6.

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-'''Gasstrahlung''' bezeichnet die [[Wärmestrahlung]] von [[Gas|Gasen]]. Vereinfachend wird der Einfluss von Gasen zwischen zwei im [[Strahlungsaustausch]] stehenden Körpern fast immer vernachlässigt.
+'''Gasstrahlung''' bezeichnet die [[Wärmestrahlung]] von [[Gas]]en. Vereinfachend wird der Einfluss von Gasen zwischen zwei im [[Strahlungsaustausch]] stehenden Körpern fast immer vernachlässigt.
-Gase [[Reflexion (Physik)|reflektieren]], [[Absorption (Physik)|absorbieren]] und [[Spontane Emission|emittieren]] [[Elektromagnetische Strahlung|elektromagnetischen Strahlung]], z.&nbsp;B. [[sichtbares Licht]], anders als gewöhnliche Oberflächen: bei Gasen sind diese Effekte abhängig von der [[Wellenlänge]] <math>\lambda</math> der Strahlung („Strahlungsband“):
+== Allgemeine Zusammenhänge ==
+Gase [[Absorption (Physik)|absorbieren]] und [[Spontane Emission|emittieren]] [[Elektromagnetische Strahlung|elektromagnetischen Strahlung]], z.&nbsp;B. [[sichtbares Licht]], anders als andere Aggregatzustände von Materie: bei Gasen sind diese Effekte abhängig von der [[Wellenlänge]] <math>\lambda</math> der Strahlung („Strahlungsband“):
 * [[Absorptionsgrad]] <math>\alpha = \alpha(\lambda)</math>
 * [[Transmissionsgrad]] <math>\tau = \tau(\lambda)</math>
 * [[Reflexionsgrad]] <math>\rho = \rho(\lambda)</math>
-Es gilt
+Es gilt:
+:<math>\alpha(\lambda) + \tau(\lambda) + \rho(\lambda) = 1</math>.
-:<math>\alpha(\lambda) + \tau(\lambda) + \rho(\lambda) = 1</math>
 Ohne Reflexion, also <math>\rho(\lambda) = 0</math>, folgt:
+:<math>\alpha(\lambda) + \tau(\lambda) = 1</math>.
-:<math>\alpha(\lambda) + \tau(\lambda) = 1</math>
+Ein Gas kann ''nicht'' als [[Grauer Körper|grauer Strahler]] angesehen werden und es kann für ein Gas auch ''kein'' gemittelter [[Emissionsgrad]] angegeben werden.
-Ein Gas kann ''nicht'' als [[Grauer Körper|grauer Strahler]] angesehen werden, für ein Gas kann auch ''kein'' gemittelter [[Emissionsgrad]] angegeben werden.
+Wie an Grenzflächen flüssige oder fester Medien, können auch Grenzflächen von Gasen elektromagnetische Strahlung [[Reflexion (Physik)|reflektieren]].
 == Einfluss in der Erdatmosphäre ==
-Das Strahlungsverhalten des [[Gasgemisch]]es [[Luft]] ist nicht trivial zu bestimmen. Luft besteht im Wesentlichen aus den vier Gasen [[Stickstoff]]&nbsp;(N<sub>2</sub>), [[Sauerstoff]]&nbsp;(O<sub>2</sub>), [[Wasserdampf]]&nbsp;(H<sub>2</sub>O) und [[Kohlenstoffdioxid]]&nbsp;(CO<sub>2</sub>), somit setzt sich das Strahlungsverhalten von Luft aus diesen vier Gasen zusammen. Trotz ihres großen Anteils beeinflussen Stickstoff und Sauerstoff das Strahlungsband von Luft kaum, denn aufgrund des [[Symmetrie (Geometrie)|symmetrischen Aufbaus]] dieser [[Molekül]]e sind sie ''nicht'' IR-aktiv, d.&nbsp;h. sie absorbieren keine Infrarotstrahlung. Letztendlich besitzt Luft somit ein Strahlungsband, welches sich hauptsächlich aus einer Kombination von CO<sub>2</sub> und H<sub>2</sub>O zusammen setzt. Es liegt genau indem für den [[Treibhauseffekt]] relevanten Bereich der [[Infrarotstrahlung|infraroten Strahlung]] mit Wellenlängen größer 1&nbsp;µm. Somit tragen diese beiden Gase wesentlich zur Erwärmung der [[Erdatmosphäre]] bei, da sie die Strahlung nicht ungehindert in den [[Weltraum]] entlassen ([[Treibhausgas]]e).
+[[Datei:Atmospheric Transmission.svg|mini|Absorption und Streuung von Strahlung durch die Erdatmosphäre.]]
+Das Strahlungsverhalten des [[Gasgemisch]]es [[Luft]] ist nicht trivial zu bestimmen. Luft besteht im Wesentlichen aus den fünf Gasen [[Stickstoff]]&nbsp;(N<sub>2</sub>), [[Sauerstoff]]&nbsp;(O<sub>2</sub>), [[Wasserdampf]]&nbsp;(H<sub>2</sub>O), [[Argon]] (Ar) und [[Kohlenstoffdioxid]]&nbsp;(CO<sub>2</sub>), somit setzt sich das Strahlungsverhalten von Luft aus Beiträgen dieser fünf Gase zusammen. Trotz ihres großen Anteils beeinflussen Stickstoff und Sauerstoff das Strahlungsband von Luft kaum, denn aufgrund des [[Symmetrie (Geometrie)|symmetrischen Aufbaus]] dieser [[Molekül]]e aus zwei gleichen Atomen sind sie ''nicht'' IR-aktiv, d.&nbsp;h., sie absorbieren und emittieren keine Infrarotstrahlung durch [[Molekülschwingung]]en, sondern maximal durch [[Elektronischer Übergang|elektronische Anregung]] bei höheren Frequenzen. Auch Argon ist als Edelgas ''nicht'' IR-aktiv. Letztendlich besitzt Luft somit ein Strahlungsband, welches sich hauptsächlich aus der Kombination der [[Rotations-Schwingungs-Spektrum|Rotations-Schwingungs-Spektren]] von CO<sub>2</sub> und H<sub>2</sub>O zusammensetzt. Es liegt genau in dem für den [[Treibhauseffekt]] relevanten Bereich der [[Infrarotstrahlung|infraroten Strahlung]] mit Wellenlängen größer 1&nbsp;µm. Somit tragen diese beiden Gase wesentlich zur Erwärmung der [[Erdatmosphäre]] bei, da sie die Strahlung nicht ungehindert in den [[Weltraum]] entlassen ([[Treibhausgas]]e). Gleichzeitig ermöglichen sie der Atmosphäre, Energie per [[Ausstrahlung (Atmosphäre)|Ausstrahlung]]  in den Weltraum abzugeben.
 Auch bei der Abkühlung der [[Erdoberfläche]] in der Nacht spielt die Gasstrahlung eine wesentliche Rolle: Da nachts keine [[Sonneneinstrahlung]] stattfindet, kühlt der Erdboden durch Wärmeabstrahlung in den [[Nachthimmel]] ab. Allerdings sendet die Luftschicht, die sich direkt über der Erdoberfläche befindet, aufgrund der Gasstrahlung auch wieder Wärmestrahlung auf die Erdoberfläche zurück, was die Abkühlung des Bodens um einen gewissen Betrag mindert. Da diese Rückstrahlung entgegen der gewöhnlichen Abstrahlrichtung erfolgt, wird sie [[atmosphärische Gegenstrahlung]] genannt.
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 == Literatur ==
 * Heinz Herwig: ''Wärmeübertragung-Physikalische Grundlagen''. Vieweg+Teubner Verlag, Hamburg 2006, ISBN 3-8348-0755-9.
+* Thomas Hertel: ''Ein Modell für die Berechnung der Gasstrahlung und seine Anwendung bei der Entwicklung eines einfachen Feuerraum-Berechnungsverfahrens''. Dissertation, Darmstadt 1992.
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 [[Kategorie:Thermodynamik]]
 [[Kategorie:Strahlung]]
 [[Kategorie:Statistische Physik]]