Temperaturstrahler mit unterschiedlichen Temperaturen auf einen Blick (winterliche Wärmebildaufnahme):
Cool: Selbst ein sehr kalter Gegenstand strahlt noch Wärmestrahlung ab: Der Baum im Vordergrund ist bei -1 bis -2 °C noch gut erkennbar im Wärmebild. Auch der Himmel strahlt noch: Hier bei -6 °C (sog. atmosphärische Gegenstrahlung). Der oben herausragende Schornstein strahlt schon mehr Wärmeenergie ab. Auch die Weltraumforschung verwendet Wärmebilder: Infrarot-Astronomie.
Übrigens: Selbst das bitterstrengkalte Weltall (-270°C) strahlt noch Mikrowellen aus, die Strahlung bildet den sogenannten kosmischen Mikrowellenhintergrund.



Diese Grafik zeigt die Strahlungsintensität der idealen Temperaturstrahlung bei 14 °C (=287 K); das ist z.B. eine kalte Fensteroberfläche, wie im Thermographiebild oben rechts eingeblendet. Das Strahlungsmaximum liegt für diese Strahlung bei ca. 10 000 nm, im sogenannten "mittleren Infrarot". In diesem Bereich ist eine Thermographiekamera empfindlich - hier lassen sich Wärmebilder aufnehmen.
( 1 µm = 1 mikrometer = 0,001 mm).
- Ein Klick auf die Grafik liefert ein Bild mit höherer Auflösung. -

Bei der Temperatur der Sonnenoberfläche entsteht sehr viel mehr und auch kurzwelligere Strahlung; das Strahlungsmaximum liegt nun bei ca. 500 nm, mitten im sichtbaren Spektrum.

Aus den Abweichungen von der idealen Kurve lassen sich Rückschlüsse auf die Zusammensetzung der Sonnenatmosphäre ziehen. Im Bild auf der rechten Seite sind noch einmal diese Strahlung, das im Weltall gemessene Sonnenspektrum und die noch auf der Erdoberfläche ankommende Strahlung dargestellt.

Holzkohleglut (bei etwa 650 °C) liegt zwischen den beiden schon dargestellten Fällen. Hier reicht die erzeugte Temperaturstrahlung schon in den sichtbaren Spektralbereich hinein, wenn auch nur im Roten. Die Holzkohle wird daher "rotglühend" wahrgenommen. Das Maximum der Strahlungsintensität liegt nun im nahen Infrarotbereich. Die Wärmestrahlung ist sehr gut wahrnehmbar ("Lagerfeuer") und Grundlage des "Grillens".

Wenn Sie sich mit den Hintergründen der Physik der Temperaturstrahlung (auch "Schwarzkörperstrahlung genannt") genauer befassen wollen, empfehlen wir den im Folgenden verlinkten Kursteil des "Online-Lernmaterials WEBGEO". Hier werden die Ergebnisse nach dem Planck'schen Strahlungsgesetz anschaulich und korrekt erläutert.

Planck'sche Strahlung

Temperaturstrahlung der Sonne

Die für uns sichtbare sogenannte Photosphäre der Sonne strahlt bei einer mittleren Temperatur von um 5500 °C. Der größte Teil der solaren Temperaturstrahlung liegt im sichtbaren Bereich der elektromagnetischen Strahlung: Licht.
Foto: Sonnensonde SOHA der NASA.

Für einen kurzen Film zur Behaglichkeit bei Passivhaus-Fenstern klicken Sie bitte auf das folgende Bild:

Tauwasser und...

...Reif auf Gras.
Durch die thermische Abstrahlung in klaren Nächten kann z.B. Rasen unter die Temperatur der Umgebungsluft abkühlen. Wenn die Temperatur sogar niedriger als die Taupunkttemperatur ist, bildet sich Tau, bei Temperaturen unter 0 °C Reif.

Dieser Link führt zu Basisinformationen zum Thema Passivhaus.

Link zur Homepage des Passivhaus Institutes:

Um die Vorgänge bem Heizen richtig verstehen zu können, ist ein Grundverständnis zum Wärmetransport durch Strahlung hilfreich. Auch sonst im täglichen Leben spielt die Wärmestrahlung eine viel größere Rolle als es uns bewusst ist. Viel Spaß mit unserem Wissenschafts-Bilderbuch!

Wärmestrahlung (oder Temperaturstrahlung)

Jeder Gegenstand gibt Wärmestrahlung ab - gut erkennbar in der Wärmebildaufnahme links (das Gesicht und die Hand, beide warm, strahlen am meisten Wärme ab). Bei der Wärmestrahlung handelt sich um elektromagnetische Wellen: Wärme ist ungeordnete Bewegungsenergie der Atome und Moleküle. Die bewegten Ladungen sind eine Quelle von elektromagnetischen Wellen. Deren Spektrum erstreckt sich von ganz tiefen Frequenzen ("Langwelle") über Radio-, Fernseh- und Mobilfunkbänder sowie Mikrowellen, Infrorat, dem sichtbaren Licht bis zu Ultraviolett, Röntgenstrahlung und der "harten" γ-Strahlung (vgl. Grafik; nm = nanometer = 10^-9 m = 0,000 001 mm; diese Abmessung liegt in der Größenordnung eines Atomdurchmessers).

Quelle: Wikipedia

Sonnenstrahlung

Die uns von der Sonne erreichende Strahlung ist im wesentlichen Temperaturstrahlung der heißen Sonnenoberfläche (ca. 5900 K)¹). Bei derart hohen Temperaturen liegt das Maximum der ausgesendeten Temperaturstrahlung im sichtbaren Bereich; aber auch UV-Licht und eine ganze Menge Infrarot-Strahlung wird von der Sonnen abgestrahlt, überwiegend aber im unmittelbar an das sichtbare Spektrum angrenzenden nahen Infrarot. Außerhalb der Erdatmosphäre ("extraterrestrisch") gleicht das Sonnenspektrum relativ gut dem eines idealen Strahlers, der in der Physik auch "schwarzer Strahler" oder "Schwarzer Körper" genannt wird, weil er in jeder Wellenlänge ungestört alle Temperaturstrahlung aufnehmen (und damit auch abgeben) kann (vgl. die Bilder in der linken Spalte und den Internet-Link zu WEBGEO). Die Abweichungen rühren von Veränderungen der Strahlung in der Sonnenatmosphäre selbst her.

(Quelle: Wikipedia)

Die Erdatmosphäre reflektiert und absorbiert weitere Teile der Sonnenstrahlung; an einem sehr klaren Tag können 70 bis 75% bis zur Erdoberfläche durchkommen (vgl. "terrestrische Sonnenstrahlung" in der obigen Grafik). Deren Maximum liegt im gelbgrünen Bereich, die meiste Energie kommt im sichtbaren Licht. Aber auch im nahen Infrarot wird noch relativ viel Energie von der Sonne empfangen (Wellenlängen zwischen 700 und 1400 nm).

Unsere Augen sind im sichtbaren Bereich empfindlich. Ein gutes Fenster sollte daher das sichtbare Spektrum (380-750 nm) möglichst ungestört hereinlassen, dann können wir die Umgebung wie gewohnt wahrnehmen und das hereinfallende Sonnenlicht oder diffuse Licht erhellt die Gegenstände in unseren Aufenthaltsräumen wie gewohnt. Herkömmliches Glas hat glücklicherweise diese Eigenschaft recht gut: Es ist im sichtbaren Spektralbereich "durchsichtig", aber auch im nahen Infrarot. (Was etwas "stört" ist evtl. im Glas enthaltenes Eisen, das führt zu einem leichten "Grünstich").

Transmission, Reflektion, Absorption

Trifft Strahlung auf eine Oberfläche, so gibt es drei Möglichkeiten:

1. Die Strahlung geht unverändert hindurch: Dies ist durchgelassene oder transmittierte Strahlung, der Vorgang heißt Transmission. Umgangssprachlich heißt ein solches Material "durchsichtig".
   
2. Die Strahlung wird gespiegelt oder reflektiert - der Vorgang heißt Reflexion (Reflexionsgesetz: Einfallswinkel = Ausfallswinkel). Lustig ist, dass nahezu jede ebene Fläche bei flachem Lichteinfall reflektierend wirkt - gleich mal ausprobieren!
   
3. Die Strahlung wird verschluckt oder absorbiert. Sie ist dann in ihrer ursprünglichen Form nicht mehr da - freilich muss ihre Energie erhalten bleiben: Diese wird bei diesem Absorption genannten Vorgang in Wärmeenergie des absorbiederenden Mediums umgewandelt (eine in die Sonne gehaltene schwarze Fläche wird warm).

Der Transmissionsgrad τ st ein Maß für die durchgelassenen Intensität.
Der Reflexionsgrad ρ ist ein Maß für die (gerichtet oder ungerichtet) reflektierte Intensität.
Der Absorptionsgrad α st ein Maß für die absorbierte Intensität.

Der Energieerhaltungssatz fordert: τ + ρ + α = 1 .

Emission

Die Abstrahlung von Temperaturstrahlung nennt man auch Emission. Ein realer physikalischer Körper kann je nach seiner Oberflächenbeschaffenheit und Temperatur unterschiedlich viel Strahlung bei der Wellenlänge &lambda emittieren. Oben haben wir bereits die Temperaturstrahlungsemission eines idealen Strahlers oder "Schwarzen Körpers" beschrieben: Ein solcher emittiert Strahlung nach dem Plank'schen Strahlungsgesetz S₀. Das Verhältnis der Strahlung S_K eines beliebigen anderen nicht idealen Strahlers zu der des idealen Strahlers nennt man in der Physik den Emissionsgrad ε.

ε = S_K / S₀        (Definition Emissionsgrad)

Aus grundsätzlichen Überlegungen folgt ein Zusammenhang zwischen diesem Emissonsgrad und dem schon zuvor eingeführten Absorptionsgrad α. Dieser Zusammenhang wurde von Kirchhoff aufgedeckt und heisst daher Kirchhoff'sches Strahlungsgesetz: Und zwar gilt im thermodynamischen Gleichgewicht für jeden Körper und jede Wellenlänge der Strahlung

ε = α

Das ist ein Zusammenhang zwischen zunächst einmal völlig unterschiedlichen Vorgängen: Der Emission von Temperaturstrahlung und der Absorption eintreffender elektromagnetischer Strahlung. Der Zusammenhang ist verblüffend und nicht gerade anschaulich, er kann jedoch relativ einfach bewiesen werden (vgl. diesen Link).

Was hat das alles mit dem Passivhaus zu tun?

Die Kenntnis des Kirchhoff'schen Strahlungsgesetzes ermöglicht viele technische Anwendungen, unter anderem die modernen Wärmeschutzverglasungen.

Wärmestrahlung ist der wichtigste Mechanismus des Wärmetransportes in unserer Umgebung - das ist für viele überraschend. In einem Raum mit Zimmertemperatur 21 °C ist mehr thermische Energie durch den Strahlungswärmeaustausch zwischen den Raumoberflächen unterwegs als durch Luftströmungen! Deshalb ist es auch so wichtig, die Wärmestrahlung im Raum korrekt zu behandeln, wenn thermische Vorgänge simuliert werden. In vielen älteren Simulationsprogrammen hatten die Programmierer vergessen, zwischen Strahlung und Konvektion an Oberflächen zu unterscheiden: Das kann zu völlig fehlleitenden Ergebnissen führen.

Anwendungsbeispiel
Zwei ebene nicht transparente Flächen stehen einander gegenüber (z.B. eine Innenwand und eine Außenwand oder auch zwei Scheiben einer Isolierverglasung). Die erste Fläche habe die Temperatur T₁, die zweite T₂. Die Emissionsgrade beider Flächen seien von der Wellenlänge unabhängig und konstant gleich ε₁ = ε₃ = 0,93 (sog. "grauer Strahler“). Dann strahlt die Fläche 1 je m² zunächst ε₁ σ T₁⁴ ab, die Fläche 2 strahlt ε₂ σ T₂⁴. Nach allem hin und her der mehrfachen Reflexion stellt sich ein Netto-Energiestrom durch Wärmestrahlung zwischen den beiden Flächen von

P_1,2 = 1/(ε₁^-1 + ε₂^-1 –1) σA ( T₁⁴ - T₂⁴ ) ein.

Diese Formel kann man umformen:

P_1,2 = {1/(ε₁^-1 + ε₂^-1 –1) σ ( T₁² + T₁² )( T₁ + T₂ )} A ( T₁ - T₂ )

Fasst man die Terme, die links in der geschweiften Klammer stehen, zum „Strahlungswärmeübergang“ h_rad zusammen, so wird

P_1,2 = h_rad A ( T₁ - T₂ ).

Obwohl h_rad stark von den Temperaturen abhängt, so ist der Wert doch in der Umgebung des Menschen relativ wenig veränderlich (nämlich um 4,8 W/m², wie die Beispiele in der Tabelle zeigen), weil die Temperaturen in der Umgebung, in der wir leben, allesamt um 20°C (±10) liegen. Zugleich zeigt diese quantitative Anwendung, dass die Wärmeströme durch Strahlung in unserer Umgebung bedeutend sind: Schon bei nur 1 K Temperaturdifferenz fließen netto fast 5 W/m² von der einen Fläche zur anderen.

Im Vergleich dazu liegen die Wärmeübergangskoeffizienten für die freie Konvektion an Bauteiloberflächen im Bereich von etwa 2 W/(m²K), sind also deutlich geringer als die hier für die Strahlung bestimmten Werte. Innerhalb eines Raumes wird der größte Teil der Wärme durch Wärmestrahlung zwischen den Oberflächen transportiert (... und nicht durch Konvektion).

Auch an der äußeren Oberfläche von Bauteilen spielt die Wärmestrahlung eine bedeutende Rolle: Die bedeutende Rolle! Abstrahlung von thermischer Energie in die Atmosphäre bzw. den Weltraum ist der überwiegende Kühlmechanismus. Dieser Vorgang ist so bedeutend, dass Außenoberflächen in der kalten Jahreszeit von Oktober bis April durchschnittlich sogar eine niedrigere Temperatur aufweisen als die Außenluft. Sichtbar wird das oftmals durch Tauwasser oder Raureif auf der Oberfläche (z.B. Windschutzscheibe von Autos). Es handelt sich dabei um einen ganz natürlichen Vorgang - Außenoberflächen müssen ohnehin so beschaffen sein, dass sie Feuchtigkeit und Frost standhalten: Es kann auch Regnen, Hageln oder Schneien, manchmal sogar alles zusammen.

Die Gesetze der Temperaturstrahlung sind vor allem für die Entwicklung energiesparender Fenster wichtig. Auf der Seite "Wärmeschutzverglasung" wird gezeigt, wie die Verbesserung der Fenster mit den hier erläuterten physikalischen Grundlagen verständlich wird.

Mehr Informationen zu Passivhausfenstern.

Anmerkungen

¹) K=Kelvin, Maßeinheit der absoluten Temperatur; der absolute Nullpunkt liegt bei 0 K enstprechend -273,15°C; das ist die Temperatur, bei der alle thermischen Bewegungen eingefroren sind - noch kälter (bewegungsloser) kann es nicht werden.

(aktualisiert 19.08.2006 Autor: Dr. Wolfgang Feist   © Passivhaus Institut; unveränderte Wiedergabe unter Angabe der Quelle gestattet. Diese Seiten werden ständig aktualisiert und erweitert.)