Разное

Где наблюдается излучение: Среда в которой возможна теплопроводность/концекция/излучение?Происходит или нет перенос

Содержание

Теплообмен

Теплообмен — это процесс изменения внутренней энергии без совершения работы над телом или самим телом.
Теплообмен всегда происходит в определенном направлении: от тел с более высокой температурой к телам с более низкой.
Когда температуры тел выравниваются, теплообмен прекращается.
Теплообмен может осуществляться тремя способами:

  1. теплопроводностью
  2. конвекцией
  3. излучением

Теплопроводность

Теплопроводность — явление передачи внутренней энергии от одной части тела к другой или от одного тела к другому при их непосредственном контакте.
Наибольшей теплопроводностью обладают металлы — она у них в сотни раз больше, чем у воды. Исключением являются ртуть и свинец, но и здесь теплопроводность в десятки раз больше, чем у воды.
При опускании металлической спицы в стакан с горячей водой очень скоро конец спицы становился тоже горячим. Следовательно, внутренняя энергия, как и любой вид энергии, может быть передана от одних тел к другим.

Внутренняя энергия может передаваться и от одной части тела к другой. Так, например, если один конец гвоздя нагреть в пламени, то другой его конец, находящийся в руке, постепенно нагреется и будет жечь руку.
Нагревание кастрюли на электрической плитке происходит через теплопроводность.
Изучим это явление, проделав ряд опытов с твердыми телами, жидкостью и газом.
Внесем в огонь конец деревянной палки. Он воспламенится. Другой конец палки, находящийся снаружи, будет холодным. Значит, дерево обладает плохой теплопроводностью.
Поднесем к пламени спиртовки конец тонкой стеклянной палочки. Через некоторое время он нагреется, другой же конец, останется холодным. Следовательно, и стекло имеет плохую теплопроводность.
Если же мы будем нагревать в пламени конец металлического стержня, то очень скоро весь стержень сильно нагреется. Удержать его в руках мы уже не сможем.
Значит, металлы хорошо проводят тепло, т. е. имеют большую теплопроводность. Наибольшей теплопроводностью обладают серебро и медь.
Теплопроводность у различных веществ различна.
Плохой теплопроводностью обладают шерсть, волосы, перья птиц, бумага, пробка и другие пористые тела. Это связано с тем, что между волокнами этих веществ содержится воздух. Самой низкой теплопроводностью обладает вакуум (освобожденное от воздуха пространство). Объясняется это тем, что теплопроводность — это перенос энергии от одной части тела к другой, который происходит при взаимодействии молекул или других частиц. В пространстве, где нет частиц, теплопроводность осуществляться не может.
Если возникает необходимость предохранить тело от охлаждения или нагревания, то применяют вещества с малой теплопроводностью. Так, для кастрюль, сковородок ручки из пластмассы. Дома строят из бревен или кирпича, обладающих плохой теплопроводностью, а значит, предохраняют от охлаждения.

Конвекция

Конвекция — это процесс теплопередачи, осуществляемый путем переноса энергии потоками жидкости или газа.
Пример явления конвекции: небольшая бумажная вертушка, поставленная над пламенем свечи или электрической лампочкой, под действием поднимающегося нагретого воздуха начинает вращаться. Это явление можно объяснить таким образом. Воздух, соприкасаясь с теплой лампой, нагревается, расширяется и становится менее плотным, чем окружающий его холодный воздух. Сила Архимеда, действующая на теплый воздух со стороны холодного снизу вверх, больше, чем сила тяжести, которая действует на теплый воздух. В результате нагретый воздух «всплывает», поднимается вверх, а его место занимает холодный воздух.
При конвекции энергия переносится самими струями газа или жидкости.


Различают два вида конвекции:

  • естественная (или свободная)
Возникает в веществе самопроизвольно при его неравномерном нагревании. При такой конвекции нижние слои вещества нагреваются, становятся легче и всплывают, а верхние слои, наоборот, остывают, становятся тяжелее и опускаются вниз, после чего процесс повторяется.
Наблюдается при перемешивании жидкости мешалкой, ложкой, насосом и т. д.
Для того, чтобы в жидкостях и газах происходила конвекция, необходимо их нагревать снизу.
Конвекция в твердых телах происходить не может.

Излучение

Излучение — электромагнитное излучение, испускаемое за счет внутренней энергии веществом, находящимся при определенной температуре.
Мощность теплового излучения объекта, удовлетворяющего критериям абсолютно черного тела, описывается

законом Стефана — Больцмана.
Отношение излучательной и поглощательной способностей тел описывается законом излучения Кирхгофа.
Передача энергии излучением отличается от других видов теплопередачи: она может осуществляться в полном вакууме.
Излучают энергию все тела: и сильно нагретые, и слабо, например тело человека, печь, электрическая лампочка и др. Но чем выше температура тела, тем больше энергии передает оно путем излучения. При этом энергия частично поглощается этими телами, а частично отражается. При поглощении энергии тела нагреваются по-разному, в зависимости от состояния поверхности.
Тела с темной поверхностью лучше поглощают и излучают энергию, чем тела, имеющие светлую поверхность. В то же время тела с темной поверхностью охлаждаются быстрее путем излучения, чем тела со светлой поверхностью. Например, в светлом чайнике горячая вода дольше сохраняет высокую температуру, чем в темном.


Другие заметки по физике

Сопряженная теплопередача | Блог COMSOL

В этой статье мы объясним, что такое сопряженная теплопередача, и продемонстрируем несколько примеров. Сопряженной теплопередачей называется теплообмен в твердых телах и жидкостях. В твердых телах основным способом теплопередачи является теплопроводность, а для жидкостей более характерна конвекция. Явление сопряженной теплопередачи проявляется во множестве ситуаций. Например, конструкция радиатора оптимизируется для того, чтобы объединить теплопередачу посредством теплопроводности материала, из которого изготовлен радиатор, и конвекцию окружающей его жидкости.

Теплопередача в твердых телах и жидкостях

Теплопередача в твердом теле

В большинстве случаев теплопередача в твердых телах, вызванная исключительно теплопроводностью материала, описывается законом Фурье, согласно которому плотность теплового потока, q

, пропорциональна градиенту температуры: q=-k\nabla T.

Для нестационарной задачи поле температуры в неподвижном твердом теле следует уравнению теплопроводности в следующей форме:

\rho C_{p} \frac{\partial T}{\partial t}=\nabla \cdot (k\nabla T) +Q

Теплопередача в жидкости

Из-за движения жидкости в уравнение добавляются еще три слагаемых:

  1. Перемещение жидкости также предполагает передачу энергии, что проявляется в виде конвекционной составляющей в уравнении теплового баланса. В зависимости от тепловых характеристик жидкости и режимов потока может преобладать теплопередача посредством либо конвекции, либо теплопроводности.
  2. Вязкостные явления в потоке жидкости приводят к ее нагреву. Диссипативным эффектом часто пренебрегают, однако в высокоскоростных потоках вязких жидкостей его влияние может быть существенно.
  3. Поскольку плотность жидкости зависит от температуры, в уравнение теплового баланса добавляется новое слагаемое — работа давления. Примером может служить хорошо известный пример образования тепла при сжатии воздуха.

Учет теплопроводности и слагаемых, описывающих перечисленные механизмы, приводит к следующему нестационарному уравнению теплопроводности для поля температуры в жидкости:

\rho C_{p} \frac{\partial T}{\partial t}+\rho C_p\bold{u}\cdot\nabla T= \alpha_p {T}\left( \frac{\partial p_\mathrm{A}}{\partial t}+\bold{u}\cdot\nabla p_\mathrm{A}\right)+\tau : S+\nabla \cdot (k\nabla T) +Q

Прикладные задачи, связанные с сопряженной теплопередачей

Высокоэффективная теплопередача

Возможность эффективного объединения процессов теплопередачи в твердых телах и жидкостях является ключевой для проектирования высокоэффективных охладителей, нагревателей и теплообменников.

Обычно для передачи теплоты на большие расстояния используются жидкие теплоносители. Самым распространенным способом обеспечения высокой интенсивности теплопередачи является вынужденная конвекция. В некоторых случаях рабочие характеристики подобных устройств становятся еще лучше благодаря сочетанию конвекции и фазовых переходов (например, кипения воды).

Несмотря на это, в теплообменнике также нужны твердые тела, которые разделяют жидкости и позволяют им передавать тепло, но не смешиваться друг с другом.


Поле течения и температуры в кожухотрубном теплообменнике демонстрирует процесс теплопередачи между двумя разделенными тонкой металлической стенкой жидкостями.

Радиаторы обычно изготавливают из металла, обладающего высокой теплопроводностью (например, меди или алюминия). Они рассеивают тепло, увеличивая площадь поверхности теплообмена между твердотельной частью конструкции и окружающей ее жидкостью.


Поле температуры в блоке питания. Температура снижается за счет охлаждения воздухом, продуваемым с помощью вентилятора и перфорированной решетки. Два алюминиевых ребра используются для увеличения площади поверхности теплообмена между потоком воздуха и электронными компонентами

.

Энергосбережение

Процессы теплообмена в жидкостях и твердых телах также могут быть объединены для сокращения тепловых потерь в различных устройствах. Поскольку большинство газов (особенно при низком давлении) обладают малой теплопроводностью, они могут использоваться для теплоизоляции… если только они не находятся в движении. Чаще всего именно газы выбирают в качестве изоляционного материала из-за их малой плотности. В любом случае важно ограничить теплопередачу посредством конвекции, уменьшая интенсивность свободной конвекции. Продуманное размещение перегородок и небольших полостей позволяет регулировать свободную конвекцию. Применение этих же принципов в микроскопических масштабах приводит к идее теплоизолирующей пены, в которой небольшие воздушные полости (пузырьки) заключены внутри пенистого материала (например, полиуретана), что обеспечивает прекрасные изоляционные характеристики материала и его малый вес.


Поперечное сечение окна (слева) и увеличенная область оконной рамы (справа).


Показатели температуры в оконной раме и поперечном сечении остекления согласно стандарту ISO 10077-2:2012 (тепловые характеристики окон).

Взаимодействие твердых тел и жидкостей

Граница жидкости и твердого тела

Поле температуры и тепловой поток на границе взаимодействия жидкости и твердого тела остаются непрерывными. Однако поле температуры может быстро изменяться в движущейся жидкости: у поверхности твердого тела температуры жидкости и твердого тела близки; чем дальше от границы, тем ближе температура жидкости к температуре на входе или к температуре окружающей среды. Расстояние, на котором температура жидкости изменяется от температуры твердого тела до температуры окружающей среды, называется тепловым пограничным слоем. Относительные размеры теплового и динамического пограничных слоев отражаются в величине числа Прандтля (Pr=C_p \mu/k): для того чтобы оно было равно единице, толщины теплового и динамического пограничных слоев должны совпадать. Более толстый динамический погранслой приводит к тому, что число Прандтля становится больше единицы. Верно и обратное: при числе Прандтля меньше единицы толщина теплового пограничного слоя превышает толщину динамического пограничного слоя. Число Прандтля для воздуха при атмосферном давлении и 20 °C равняется 0,7. Это объясняется тем, что для воздуха размеры динамического и теплового пограничного слоев схожи, при этом толщина динамического погранслоя чуть меньше толщины теплового. Для воды при температуре 20 °C число Прандтля составляет около 7, поэтому в воде изменение температуры рядом со стенкой происходит быстрее, чем изменение скорости.


Нормализованные профили температуры (красный) и скорости (синий) для свободной конвекции воздуха рядом с холодной твердой поверхностью.

Свободная конвекция

Свободная конвекция возникает тогда, когда жидкость приводится в движение силами плавучести. В зависимости от ожидаемых тепловых характеристик естественная конвекция может быть как полезной (например, в случае охлаждения), так и нежелательной (например, свободная конвекция в слое термоизоляции). 3

Число Рэлея может быть выражено через числа Прандтля и Грасгофа как Ra=Pr Gr.

Когда величина числа Рэлея невелика (обычно <103), явлением свободной конвекции можно пренебречь, так как теплопередача происходит посредством теплопроводности жидкости. Для больших значений числа Рэлея необходимо учитывать теплопередачу посредством конвекции.

Когда силы плавучести значительно выше вязкостных сил, режим потока становится турбулентным, в противном случае поток остается ламинарным. На переход между двумя данными режимами указывает критическое значение числа Грасгофа, величина которого составляет 109. Толщину теплового пограничного слоя можно вычислить приближенно при условии, что известно характерное расстояние перепада температуры между твердой стенкой и объемом жидкости: \delta_\mathrm{T} \approx \frac{L}{\sqrt[4\,]{Ra}}, когда Pr по порядку равно или больше единицы.


Профиль температуры при свободной конвекции в стакане холодной воды, контактирующем с горячей поверхностью .

Вынужденная конвекция

При вынужденной конвекции поток приводится в движение воздействием внешних сил (например, ветра) или устройств (например, вентиляторов или насосов), которые преобладают над силами плавучести.

В этом случае режим потока может быть охарактеризован, аналогично изотермическому потоку, числом Рейнольдса Re= \frac{\rho U L}{\mu}. Число Рейнольдса представляет отношение инерционных и вязкостных сил. При малых значениях числа Рейнольдса преобладают вязкостные силы, соответственно, поток ламинарный. При высоких значениях числа Рейнольдса силы внутреннего трения в системе невелики, благодаря чему наблюдаются незначительные возмущения. В случае если значение числа Рейнольдса будет достаточно высоким, поток перейдет в турбулентный режим.

Оценить толщину динамического пограничного слоя можно с помощью числа Рейнольдса \delta_\mathrm{M} \approx \frac{L}{\sqrt{Re}}.

Линии тока и профиль температуры вокруг радиатора, охлаждаемого вынужденной конвекцией. 4). Когда окружающие поверхности имеют различную температуру, теплообмен определяется угловыми коэффициентами.

Несмотря на это, как жидкости, так и твердые тела могут быть прозрачными или полупрозрачными. Таким образом, излучение может возникнуть и в жидкости, и в твердых телах. В активных (или недиатермических) средах излучение взаимодействует со средой (твердым телом или жидкостью), которая поглощает, испускает или рассеивает энергию.

Несмотря на то, что при небольшой разнице температур и малой излучательной способности можно пренебречь теплопередачей посредством излучения, она играет ключевую роль в прикладных задачах со значительными перепадами температур или сильно выраженной излучательной способностью.


Сравнение показателей температуры для радиатора с поверхностной излучательной способностью \varepsilon = 0 (слева) и \varepsilon = 0,9 (справа).

Заключение

В большей части практических задач процессы теплопередачи в твердых телах и жидкостях объединены. Причина этого в том, что, как правило, рассматриваемые жидкости обтекают твердые тела или текут между твердых стенок, а твердые тела, в свою очередь, обычно погружены в жидкость. Точное описание режимов теплопередачи, свойств материала, режимов течения и конфигураций геометрии позволяет выполнять анализ полей температуры и процессов теплопередачи. Подобное описание служит также отправной точкой для численного моделирования, которое может использоваться для расчета явлений теплопередачи или для проверки различных конфигураций конструкции для улучшения тепловых характеристик того или иного изделия.

Примечания

C_{p}: теплоемкость при постоянном давлении (единицы СИ: Дж/(кг⋅K))

g: ускорение свободного падения (единицы СИ: м/с2)

Gr: число Грасгофа (безразмерная величина)

k: теплопроводность (единицы СИ: Вт/(м⋅K))

L: характерный размер (единицы СИ: м)

n: показатель преломления (безразмерная величина)

p_\mathrm{A}: абсолютное давление (единицы СИ: Па)

Pr: число Прандтля (безразмерная величина)

q: плотность теплового потока (единицы СИ: Вт/м2)

Q: объемный источник теплоты (единицы СИ: Вт/м3)

Ra: число Рэлея (безразмерная величина)

S: тензор скоростей деформации (единицы СИ: 1/с)

T: поле температуры (единицы СИ: K)

T_\mathrm{amb}: температура окружающей среды (единицы СИ: K)

\bold{u}: поле скорости (единицы СИ: м/с)

U: характерная величина скорости (единицы СИ: м/с)

\alpha_{p}: коэффициент теплового расширения (единицы СИ: 1/K)

\delta_\mathrm{M}: толщина инерционного граничного слоя (единицы СИ: м)

\delta_\mathrm{T}: толщина теплового слоя (единицы СИ: м)

\Delta T: характерная разность температур (единицы СИ: K)

\varepsilon: излучательная способность поверхности (безразмерная величина)

\rho: плотность (единицы СИ: кг/м3)

\sigma: постоянная Стефана — Больцмана (единицы СИ: Вт/(м2⋅К4))

\tau: тензор вязких напряжений (единицы СИ: Н/м2)

Виды теплопередачи теплопроводность, конвекция, излучение

1.

Виды теплопередачи: теплопроводность, конвекция, излучение

2. Способы изменения внутренней энергии

Совершение
работы
Теплообмен
Конвекция
Теплопро
водность
Излучение

3. Виды теплопередачи. Теплопроводность.

•Теплопроводность — перенос энергии от
более нагретых участков тела к менее
нагретым за счет теплового движения и
взаимодействия микрочастиц (атомов,
молекул, ионов и т.п.), который приводит
к выравниванию температуры тела.
Не сопровождается переносом вещества!
Этот вид передачи внутренней энергии характерен как
для твердых веществ, так и для жидкостей и газов.

4. Закипание воды в бумажном стакане

• Здесь должен быть видеофрагмент
«Закипание воды в бумажном
стакане»
• Скачайте фильм по адресу: http://schoolcollection.edu.ru/catalog/res/d5877037-6684-4b19-96af-b413a079b6ee/view/ и вставьте
его на этот слайд. При вставке установите «при показе слайдов воспроизводить
автоматически», на вкладке «Параметры» поставьте галочку в поле «Во весь
экран»

5.

Виды теплопередачи. Теплопроводность. • Теплопроводность различных веществ разная.
• Металлы обладают самой высокой теплопроводностью,
причем у разных металлов теплопроводность отличается.
• Жидкости обладают меньшей теплопроводностью, чем твердые
тела, а газы меньшей, чем жидкости.

6. Теплопроводность различных веществ

• Здесь должен быть видеофрагмент
«Теплопроводность различных
веществ»
• Скачайте фильм по адресу: 8_87.avi
и вставьте его на этот слайд. При вставке установите «при показе слайдов
воспроизводить автоматически», на вкладке «Параметры» поставьте галочку в
поле «Во весь экран»
Вещества, имеющие плохую
теплопроводность, называются
теплоизоляторами

7. Лучший изолятор — воздух

Лучший изолятор воздух
• Теплоизоляционные материалы
замедляют движение молекул.
• Молекулы медленнее всего
движутся в сухом воздухе.
• Поэтому, при производстве
строительных материалов
используют основной принцип –
удержание воздуха в порах или
ячейках материала
• Вот так выглядят при увеличении:
ПЕНОПЛАСТ
Базальтовая вата
Пеностекло

8.

Виды теплопередачи. Конвекция. • Конвекция — вид теплопередачи, при котором энергия передается
потоками (струями) вещества.
• Характерна для жидкостей и газов.

9. Конвекционные потоки при нагревании воды

• Здесь должен быть видеофрагмент
«Конвекционные потоки при
нагревании воды»
• Скачайте фильм по адресу: 8_92.avi
и вставьте его на этот слайд. При вставке установите «при показе слайдов
воспроизводить автоматически», на вкладке «Параметры» поставьте галочку в
поле «Во весь экран»

10. Конвекция при нагревании льда в пробирке

• Здесь должен быть видеофрагмент
«Конвекция при нагревании льда в
пробирке»
• Скачайте фильм по адресу: 8_92.avi
и вставьте его на этот слайд. При вставке установите «при показе слайдов
воспроизводить автоматически», на вкладке «Параметры» поставьте галочку в
поле «Во весь экран»

11. Принцип действия комнатного отопления

• Здесь должен быть видеофрагмент
«Принцип действия комнатного
отопления»
• Скачайте фильм по адресу: http://school
collection. edu.ru/catalog/res/1f43ccd4-b57d-464b-9b13-b2e48b4a16cb/view/
и вставьте его на этот слайд. При вставке установите «при показе слайдов
воспроизводить автоматически», на вкладке «Параметры» поставьте галочку в
поле «Во весь экран»

12. Виды теплопередачи. Излучение.

• Излучение — вид теплопередачи, при
котором энергия передается с помощью
электромагнитных волн
(преимущественно инфракрасного
диапазона).
• Может происходить в вакууме

13. Нагревание излучением

• Здесь должен быть видеофрагмент
«Нагревание излучением»
• Скачайте фильм по адресу: 8_97.avi
и вставьте его на этот слайд. При вставке установите «при показе слайдов
воспроизводить автоматически», на вкладке «Параметры» поставьте галочку в
поле «Во весь экран»

14. Светлые и темные поверхности тел поглощают излучение по-разному.

15. Все виды теплопередачи одновременно!

Конвекция
Теплопроводность
Излучение

16. Рассмотрим задачи:

Подборка заданий.

17. 1. В кастрюле с водой, поставленной на электроплиту, теплопередача в воде осуществляется преимущественно

1)
2)
3)
4)
излучением и конвекцией
конвекцией и теплопроводностью
теплопроводностью
конвекцией

18. 2. При выполнении измерений теплоемкости тела при помощи калориметра можно получить более точный результат, если в пространстве

между двумя сосудами
калориметра находится:
A) вакуум;
Б) воздух;
B) вода.
1) 1
2) 2
3) 3
4) во всех случаях А—В точность измерений одинакова

19. 3. Как нагревается вода в чайнике, стоящем на электрической плите?

•1. Нагревание воды в чайнике осуществляется в основном
за счет поглощения излучения электрической плиты.
•2. Нагревание воды в чайнике осуществляется только
•за счет явления теплопроводности.
•3. Нагревание воды в чайнике происходит за счет явления
теплопроводности и конвекции.
•4. Нагревание воды в чайнике происходит только за счет
конвекции.

20. 4. В одинаковые сосуды с холодной водой опустили нагретые до 1000С сплошные шары одинакового объема, в первый сосуд — из меди,

а во второй
— из цинка. После достижения
состояния теплового равновесия
оказалось, что в сосудах установилась
разная температура. В каком из
сосудов окажется более высокая
температура?
1. В первом сосуде, так как удельная теплоемкость меди
больше удельной теплоемкости цинка.
2. В первом сосуде, так как плотность меди больше плотности
цинка.
3. Во втором сосуде, так как удельная теплоемкость цинка
больше удельной теплоемкости меди.
4. Во втором сосуде, так как плотность цинка больше
плотности меди.

21. 5. В комнате на столе лежат пластмассовый и металлический шарики одинакового объема. Какой из шариков на ощупь кажется

холоднее?
Ответ поясните.
•1. Металлический шарик на ощупь кажется холоднее.
•2.Теплопроводность металлического шарика больше
теплопроводности пластмассового. Теплоотвод от
пальца к металлическому шарику происходит
интенсивнее, это создает ощущение холода.

22. 6. Религиозные люди утверждают, что лишь в день Пасхи солнце при восходе ≪играет≫ (диск солнца колеблется, меняет свою форму и

цвет). Как
объяснить видимое колебание диска восходящего
солнца?
•Весной почва в разных местах нагрета по-разному и
воздух над этими местами имеет различную плотность,
разный показатель преломления. Воздух вследствие
конвекции движется, лучи света проходят сквозь слои
воздуха с меняющимся показателем преломления. Это
вызывает колебание видимого диска Солнца. «Игра»
Солнца наблюдается в любой день, когда возникает
температурная, а следовательно, и оптическая
неоднородность воздуха

23. Домашнее задание

§§4
Упражнение 3
Для желающих в электронном виде задание
на странице 14

Излучение Вавилова — Черенкова — все статьи и новости

Излучение Вавилова — Черенкова — это свечение, которое наблюдается, когда частицы проходят через прозрачную среду со скоростью, превышающей скорость распространения света в этой среде. В физике это излучение используется для регистрации и определения скоростей релятивистских частиц.

Излучение Вавилова — Черенкова расходится конусом, центр которого располагается на линии движения частицы. Угол при вершине конуса зависит от скорости частицы и скорости света в среде. Существуют детекторы черенковского излучения, которые позволяют физикам определять массы и скорости движущихся частиц.

Излучение Вавилова — Черенкова можно увидеть на дне бассейна, где устанавливают ядерные реакторы для обеспечения радиационной защиты. Сердечник реактора будет окружен голубым свечением. Также возможно, что вода на глубинах океана светится из-за возникающего там излучения вследствие распада радиоизотопов.

Это излучение было открыто в 1934 году аспирантом Павлом Черенковым, работающим под руководством именитого советского физика Сергея Вавилова. Черенков изучал свечение растворов под действием гамма-излучения радия. Оказалось, что помимо люминесценции раствор испускал другое слабое свечение. Выяснилось, что это излучение вызывалось электронами, выбитыми из атомов жидкой среды. Затем ученые выяснили, что скорость этих электронов была выше скорости распространения света в этой среде. За открытие и теоретическое объяснение излучения Черенкова в 1958 году Нобелевскую премию получили физики Илья Франк и Игорь Тамм, а также сам Черенков.

Для регистрации излучения Вавилова — Черенкова создан международный проект «Массив черенковских телескопов» (The Cherenkov Telescope Array, CTA), в рамках которого строится ряд наземных телескопов для исследования космического пространства в диапазоне гамма-излучения от десятков ГэВ до более 100 ТэВ. Данные созданной в рамках проекта обсерватории предлагается сделать доступными и открытыми широкому кругу астрофизиков.

Фото: Argonne National Laboratory/Wikimedia Commons

из центра Галактики исходит рекордное гамма-излучение

Астрономы обнаружили, что из центра Млечного Пути исходит излучение невероятной энергии. Учёные зафиксировали сотни гамма-лучей со сверхвысокой энергией выше одного петаэлектрон-вольта, то есть 1015электрон-вольт. Ранее считалось, что излучение такой высокой энергии не может производиться ни одним источником в нашей галактике.

Мы ранее подробно рассказывали о гамма-излучении и возможной природе его мощнейших вспышек: гамма-всплесков. Считается, что источником столь мощного космического излучения могут быть сверхновые, аннигиляция материи с антиматерией, а также пульсары.

Однако обычно энергия такого излучения измеряется в гигаэлектрон-вольтах (109 эВ), в особо выдающихся случаях – в тераэлектрон-вольтах (1012 эВ). В пределах родного для нас Млечного Пути гамма-лучи более высокой энергии испускает только Крабовидная туманность (в 2019 году энергия её излучения превысила 100 ТэВ).

Недавно китайский телескоп LHAASO, расположенный на Тибетском нагорье, зарегистрировал гамма-излучение с энергией выше одного петаэлектрон-вольта, что составляет 1000 ТэВ: это значит, что пойманные телескопом гамма-лучи в 10 раз «рекорднее» того, что считалось максимумом для нашей Галактики ранее.

Исследовательская группа обнаружила в общей сложности 530 фотонов сверхвысокой энергии, исходящих из 12 источников. Один из них заметно выделялся среди остальных: его характеристика составляла 1,4 ПэВ. Это наивысшее значение, зафиксированное астрономами в пределах Галактики за всю историю наблюдений.

Авторы работы считают, что источник этого рекордного излучения находится в области активного звездообразования в созвездии Лебедя. Эти мощнейшие космические ускорители частиц китайские специалисты назвали «ПэВатроны», хотя астрономы пока не могут объяснить, какие процессы смогли породить фотоны со столь выдающимися характеристиками.

Учитывая, что LHAASO пока только достраивается, исследователи ждут момента, когда обсерватория заработает в полную силу. Астрономы ожидают от этого аппарата новых открытий и планируют найти ответ на свои вопросы в ближайшем будущем.

Исследование было опубликовано в престижном научном издании Nature.

Ранее мы писали о том, что излучение из центра Галактики может быть сигналом от тёмной материи, а также о том, какие эффекты гамма-излучения говорят о его связи с неизвестными науке частицами.

Больше новостей из мира науки вы найдёте в разделе «Наука» на медиаплатформе «Смотрим».

Аппарат Геска-1 инфракрасного и красного излучения

Аппарат Геска-1 инфракрасного и красного излучения

описание и характеристики

Аппараты для фототерапии «Геска» являются первыми аппаратами с одновременнымвоздействием инфракрасного и красного излучений, а также электромагнитнымполем на патологический очаг или организм в целом облучением рефлексогенных зон ибиологически активных точек. Действие красного и инфракрасного излучений прослеживается на тканевом уровне. Улучшаются качественные показатели крови и микроциркуляции. Ускоряются процессы регенерации периферического нерва, костной соединительной ткани, слизистой оболочки. С указанными эффектами связано противовоспалительное, противоболевое и ранозаживляющее действия аппаратов «Геска». Отмечено положительное влияние на факторы защиты организма и систему иммунитета и фагоцитоз.

Красное излучение наиболее эффективно для лечения кожных заболеваний и послеоперационных ран, при лечении язв диабетического происхождения, герпеса, угрей, а также обычных ссадин и ушибов.
Инфракрасное излучение (ИК-излучение) более эффективно для снятия болей в суставах, лечения бурсита, ревматизма.
Ни то ни другое излучение не оказывают побочного воздействия. В результате воздействия излучения светодиодов на организм наблюдается быстрая нормализация температуры тела, ликвидация бактериемии, стабилизация артериального давления, значительный тромболитический эффект при надвенном облучении крови. Нормализуется частота сердечных сокращений и дыхание, отмечается выраженный нейролептический эффект, происходит нормализация морфологического состава периферической крови и повышение содержания иммуноглобулина А.
Результаты клинических испытаний и экспериментов показывают, что фототерапия медицинскимиприборами «Геска» дает хороший эффект при лечении широкого перечня заболеваний. В настоящее время выпускается несколько модификаций аппаратов.

Основные преимущества аппара для фототерапии Геска 1 Маг:

Монохроматическое излучение различных диапазонов оказывают разное физиологическое действие на различные структурные единицы организма (системы, органы, ткани, клетки). Излучения Геска-1-маг обеспечивают воздействие в 3-х режимах:

красное воздействие, производимое геска (660 нм) — оказывает выраженное стимулирующее, нормализующее действие на структурные единицы клетки, в т. ч. двойную спираль ДНК.

ближнее инфракрасное воздействие, производимое геска (780 нм) — обладая прогревающим действием, противопоказано при многих заболеваниях, усиливает тканевый метаболизм, улучшает свойства крови, что позволяет в 3-5 раз ускорять выздоровление при воспалительных заболеваниях.

Магнитное поле повышает эффективность лечения, его лечебное действие проявляется и без включения светодиодов, и при включенных светодиодах.

Геска1 маг— это источник мощного излучения (монохроматического красного и инфракрасного), которое по своим параметрам приближается к лазерному. Этого удалось достичь благодаря уникальной технологии, которая впервые позволила создать портативный прибор, обладающий большинством функций сложных и дорогих аппаратов лазеротерапии. Однако при этом «Геска» выгодно отличается по таким показателям, как безопасность, компактность и простота в использовании. Фототерапия Геска уникальна.

Назначение:

Аппарат предназначен для воздействия на патологический очаг красным и инфракрасным некогерентным излучением совместно с воздействием постоянным магнитным полем, которое усиливает воздействие излучения и является самостоятельным лечебным фактором. Наличие в аппарате фототерапии«Геска-1-Маг» волн различной длины и постоянного магнитного поля позволяет получить комбинированный метод лечения с положительным терапевтическим эффектом.
Лечебный эффект аппаратов красного и ифракрасного излучений «Геска»многократно выявлен в различных областях медицины: хирургии, дерматологии, травматологии, неврологии, отоларингологии, эндокринологии, педиатрии.
С помощью прибора Геска1в первую очередь следует отметить лечениесамых распространенных заболеваний: остеохондроз позвоночника, заболевания бронхолегочной системы, сердечно-сосудистой системы, невралгии, тромбофлебит, острые и хронические заболевания ЛОР-органов, геморрой, ожоги, герпес, кожные заболевания и др.
Геска 1 Магтакжеуспешно применяется при леченииследующих заболеваний: миозит, артрит, артроз, гайморит, скалоденит, контрактура жевательных мышц, невралгия троичного нерва, неврит лицевого сустава, синусит и т.д.
К положительным эффектам лечения Гески можно отнести: устранение боли, воспаления, отека, экссудации, ускорение кровообращения, улучшение подвижности суставов.

Портативные светодиодные аппараты для фото- и магнитотерапии серии ГЕСКАпо своему лечебному действию аналогичны лазерным терапевтическим аппаратам, но отличаются от них портативностью, надёжностью и безопасностью применения, что позволяет эксплуатировать эти аппараты как в медицинских учреждениях, так и в домашних условиях. Для лечения вмедприборах Геска используется сочетанное воздействие монохроматических излучений в диапазоне от 400 до 1000 нм и постоянного магнитного поля, усиливающего эффект лечения. Такое сочетание позволяет с помощьюсветодиодного аппарата Геска 1:

оказывать общее воздействие на весь организм, начиная со структурно-функциональных единиц клетки и кончая органами, системой и целостным организмом;

корректировать при надвенном и надартериальном облучении крови не только основные заболевания, но и сопутствующие;

заживлять(быстро и без образования грубого рубца) ожоговые поверхности и различные раны;

повышать эффективность восстановления больных при санитарно-курортном лечении;

ускорять регенерацию поврежденных тканей;

снижать болевые ощущения; обладает обезболивающим действием;

увеличиватьгуморальный и тканевый иммунитет;

быстрее устранять отеки и воспалительные реакции.

Фототерапия: эффект излучения аппаратов Геска:

Светодиодные фототерапевтические аппараты ГЕСКА по энергетическим параметрам наиболее приближены к лазерной аппаратуре, что обуславливает их более высокую терапевтическую эффективность при лечении патологий внутренних органов человека, по сравнению с аналогичными приборами.

У светового излучения достаточно широкий спектр действия. Оно активизирует многие процессы в организме, ускоряя энергетический обмен, оказывает противовоспалительное, аналгезирующее действие и другие эффекты. Следует отметить неинвазивность большинства фотопроцедур и их безболезненность. Поскольку аппараты используют воздействие на организм человека электромагнитным полем, излучение оказывает общее воздействие на весь организм, начиная со структурно-функциональных единиц — клеток и кончая органами, системой и целостным организмом.

Излучение корректирует при надвенном и надартериальном облучении крови не только основные заболевания, но и сопутствующие, эффективная профилактика сердечно-сосудистых заболеваний.

Излучение оказывает ярко выраженное иммунокоррегирующее действие.

Излучение может применяться для купирования болевых синдромов любого происхождения.

Своевременное применение излучения значительно снижает риск оперативного вмешательства при его использовании в предоперационном периоде и для предотвращения воспаления и снятия болевого синдрома через 10-12 часов после операции. Применение излучения повышает эффективность реабилитации больных при санаторном лечении, сокращает сроки лечения и применение лекарственных препаратов в 2-3 раза и не дает осложнений и побочных реакций.

Показания к применению:

1. Заболевания опорно-двигательного аппарата: артрозы, артриты, травмы суставов и костей, остеохондроз позвоночника, травмы мышц.

2. Заболевания кожи: герпес, фурункулез, юношеские угри, нейродермит, аллергический дерматит, экзема, красный плоский лишай, опоясывающий лишай, псориаз.

3. Хирургические заболевания: профилактика послеоперационных осложнений, лечение инфицированных ран, ожогов, ссадин, ушибов.

4. Сердечно-сосудистые заболевания: ишемическая болезнь сердца, гипертоническая болезнь, вегетососудистая (нейроциркуляторная) дистония, варикозное расширение вен, тромбофлебит, облитерирующий атеросклероз сосудов конечностей.

5. Заболевания бронхолегочной системы: острые респираторные инфекции, острый и хронический бронхит, трахеит, пневмония, бронхиальная астма.

6. Заболевания лорорганов: острые и хронические гайморит, ринит, отит, ангина.

7. Неврологические заболевания: невриты и невралгии, последствия острых нарушений мозгового кровообращения, черепно-мозговых травм и травм спинного мозга.

8. Урологические заболевания: хронические воспалительные заболевания почек и мочевыводящих путей, хронический и острый простатит.

9. Гинекологические заболевания: воспалительные заболевания женских половых органов, трещины сосков, мастит.

10. Стоматологические заболевания: лечение осложненного кариеса зубов, стоматит, гингивит, пародонтит, травмы языка и губ.

Подробное описание различных методов использования аппаратов «Геска» при конкретных заболеваниях содержится в иллюстрированной инструкции, прилагаемой к каждому прибору.

Высокая эффективность и безопасность воздействия аппаратов позволяют использовать их в лечебно-профилактических учреждениях, в физиотерапевтических кабинетах поликлиник, а такжев домашних условиях, как в комплексе с традиционными методами, так и самостоятельно лицам всех возрастов, позволяя существенно сокращать сроки лечения и удешевляя сам процесс лечения вследствие значительного снижения доз дорогостоящих лекарств или почти полного отказа от них. Методики использования аппаратов просты, доступны и не требуют специальной подготовки.


Виды радиоактивного распада. Атомная физика :: Класс!ная физика

ВИДЫ РАДИОАКТИВНОГО РАСПАДА

Явление радиоактивности сопровождается превращением ядра одного химического элемента в ядро другого химического элемента, а также выделением энергии, которая «уносится» с альфа- бета- и гамма-излучениями.

Все радиоактивные элементы подвержены  радиоактивным превращениям.
В некоторых случаях   у радиоактивного элемента  наблюдается   альфа- и бета-излучения одновременно.
Чаще химическому элементу присуще или альфа-излучение, или бета-излучение.
Альфа- или бета- излучения часто сопровождаются гамма- излучением.

Испускание радиоактивных частиц называется радиоактивным распадом.
Различают альфа-распад ( с испусканием альфа-частиц), бета-распад (с испусканием бета-частиц), термина «гамма-распад» не существует.
Альфа- и бета-распады – это  естественные радиоактивные превращения.

Альфа — распад

Альфа-частицы испускаются только тяжелыми ядрами, т.е. содержащими большое число протонов и нейтронов. Прочность тяжелых ядер мала. Для того, чтобы покинуть ядро, нуклон должен преодолеть ядерные силы, а для этого он должен обладать достаточной энергией.
При объединении двух протонов и двух нейтронов в альфа-частицу ядерные силы в подобном сочетании (между нуклонами частицы) являются наиболее крепкими, а связи с другими нуклонами слабее, поэтому альфа-частица способна «выйти» из ядра. Вылетевшая альфа-частица уносит положительный заряд в 2 единицы и массу в 4 единицы.
В результате альфа-распада радиоактивный элемент превращается в другой элемент, порядковый номер которого на 2 единицы, а массовое число на 4 единицы, меньше.


То ядро, которое распадается, называют материнским, а образовавшееся дочерним.
Дочернее ядро оказывается обычно тоже радиоактивным и через некоторое время распадается.
Процесс радиоактивного распада происходит до тех пор, пока не появится стабильное ядро, чаще всего ядро свинца или висмута.

Бета-распад

Явление бета-распада состоит в том, что ядра некоторых элементов самопроизвольно испускают электроны и элементарную частицу очень малой массы — антинейтрино.
Так как электронов в ядрах нет, то появление бета-лучей из ядра атома можно объяснить способностью нейтронов ядра распадаться на протон, электрон и антинейтрино. Появившийся протон переходит во вновь образующееся ядро. Электрон, вылетающий из ядра, и является частицей бета-излучения.
Такой процесс распада нейтронов характерен для ядер с большим количеством нейтронов.

В результате бета-распада образуется новое ядро с таким же массовым числом, но с большим на единицу зарядом. 

Гамма — распад — не существует

В процессе радиоактивного излучения ядра атомов могут испускать гамма-кванты. Испускание гамма-квантов не сопровождается распадом ядра атома.

Гамма излучение зачастую сопровождает явления альфа- или бета-распада.
При альфа- и бета-распаде новое возникшее ядро первоначально находится в возбужденном состоянии и , когда оно переходит в нормальное состояние, то испускает гамма-кванты (в оптическом или рентгеновском диапазоне волн).

Так как радиоактивное излучение состоит из альфа-частиц, бета-частиц и гамма-квантов (т.е. ядер атома гелия, электронов и гамма-квантов), то явление радиоактивности сопровождается  потерей массы и энергии  ядра, атома и вещества в целом.
Доказательством того, что радиоактивное излучение несет энергию, является опыт, показывающий, что при поглощении радиоактивного излучения  вещество нагревается.

Вспомни тему «Атомная физика» за 9 класс:

Радиоактивность.
Радиоактивные превращения.
Состав атомного ядра. Ядерные силы.
Энергия связи. Дефект масс.
Деление ядер урана.
Ядерная цепная реакция.
Ядерный реактор.
Термоядерная реакция.

Другие страницы по теме «Атомная физика» за 10-11 класс:

Строение атома
Квантовые постулаты Бора
Методы регистрации частиц
Естественная радиоактивность
Радиоактивный распад
Закон радиоактаивного распада
Ядерные силы
Открытие электрона
Открытие протона
Открытие нейтрона
Строение ядра атома
Изотопы
Энергия связи ядра
Ядерные реакции
Деление ядер урана. Цепная реакция
Ядерный реактор. Атомная бомба
Термоядерная реакция
Водородная бомба
Топливные ресурсы. Ядерная энергетика

О ЗНАМЕНИТЫХ УЧЕНЫХ

Читая лекции в Монреальском университете, профессор Э. Резерфорд останавливался у доски всегда в одних и тех же местах. Сейчас эти места можно определить при помощи счетчика Гейгера!
___

Памятная надпись, сделанная Полем Дираком на стене кабинета теоретической физики Московского государственного университета, гласит: «Физические законы должны обладать математической красотой».
___

Э. Резерфорд говорил: «Есть три стадии признания научной истины: первая — когда говорят, что это абсурд, вторая — «в этом что-то есть»…» и третья – «это общеизвестно».
___

Осенью 1913 года в Брюсселе собралась Конференция Сольвея при Международном физическом институте. На ней присутствовало около 30 виднейших ученых, в том числе Эйнштейн, Линдеман, Рубенс, Ланжевен, Резерфорд и многие другие. Единственной женщиной, присутствовавшей на этом конгрессе была Мария Склодовская – Кюри.


использований радиации | NRC.gov

Хотя ученые знали об излучении только с 1890-х годов, они разработали множество вариантов использования этой природной силы. Сегодня радиация используется в медицине, науке и промышленности на благо человечества, а также для производства электроэнергии. Кроме того, у излучения есть полезные применения в таких областях, как сельское хозяйство, археология (датирование углерода), исследование космоса, правоохранительные органы, геология (включая горнодобывающую промышленность) и многие другие.Для получения дополнительной информации см. Следующие разделы на этой странице:

Применение в медицине

Больницы, врачи и стоматологи используют различные ядерные материалы и процедуры для диагностики, мониторинга и лечения широкого спектра метаболических процессов и заболеваний у людей. Фактически, диагностические рентгеновские лучи или лучевая терапия были назначены примерно 7 из каждых 10 американцев. В результате медицинские процедуры с использованием излучения спасли тысячи жизней благодаря обнаружению и лечению различных состояний, от гипертиреоза до рака костей.

Наиболее распространенные из этих медицинских процедур включают использование рентгеновских лучей — вид излучения, которое может проходить через нашу кожу. На рентгеновском снимке наши кости и другие структуры отбрасывают тени, потому что они плотнее нашей кожи, и эти тени можно обнаружить на фотопленке. Эффект аналогичен помещению карандаша за лист бумаги и удерживанию карандаша и бумаги перед источником света. Тень от карандаша раскрывается, потому что большая часть света имеет достаточно энергии, чтобы проходить через бумагу, но более плотный карандаш останавливает весь свет.Разница в том, что рентгеновские лучи невидимы, поэтому нам нужна фотопленка, чтобы «увидеть» их за нас. Это позволяет врачам и стоматологам выявлять сломанные кости и проблемы с зубами.

Рентгеновские лучи и другие формы излучения также используются в различных терапевтических целях. Когда они используются таким образом, они чаще всего предназначены для уничтожения раковой ткани, уменьшения размера опухоли или уменьшения боли. Например, радиоактивный йод (в частности, йод-131) часто используется для лечения рака щитовидной железы — болезни, от которой ежегодно страдают около 11 000 американцев.

рентгеновских аппаратов также были подключены к компьютерам в машинах, называемых компьютерными томографами (CAT) или компьютерными томографами (CT). Эти инструменты предоставляют врачам цветные изображения, на которых показаны формы и детали внутренних органов. Это помогает врачам находить и идентифицировать опухоли, аномалии размера или другие физиологические или функциональные проблемы с органами.

Кроме того, больницы и радиологические центры в США ежегодно проводят около 10 миллионов процедур ядерной медицины.В таких процедурах врачи вводят слаборадиоактивные вещества пациентам, которых привлекают определенные внутренние органы, такие как поджелудочная железа, почки, щитовидная железа, печень или мозг, для диагностики клинических состояний.

Академические и научные приложения

Университеты, колледжи, средние школы и другие академические и научные учреждения используют ядерные материалы в курсовой работе, лабораторных демонстрациях, экспериментальных исследованиях и в различных приложениях физики здоровья.Например, точно так же, как врачи могут маркировать вещества внутри тела людей, ученые могут маркировать вещества, которые проходят через растения, животных или наш мир. Это позволяет исследователям изучать такие вещи, как пути, по которым различные типы загрязнения воздуха и воды проходят через окружающую среду. Точно так же радиация помогла нам узнать больше о типах почвы, в которой должны расти различные растения, размерах недавно обнаруженных нефтяных месторождений и следах океанских течений. Кроме того, исследователи используют низкоэнергетические радиоактивные источники в газовой хроматографии для идентификации компонентов нефтепродуктов, смога и сигаретного дыма и даже сложных белков и ферментов, используемых в медицинских исследованиях.

Археологи также используют радиоактивные вещества для определения возраста окаменелостей и других объектов с помощью процесса, называемого углеродным датированием. Например, на верхних уровнях нашей атмосферы космические лучи ударяют по атомам азота и образуют естественный радиоактивный изотоп, называемый углеродом-14. Углерод содержится во всех живых существах, и небольшой процент из них составляет углерод-14. Когда растение или животное умирают, они больше не поглощают новый углерод, а углерод-14, который они накапливали в течение своей жизни, начинает процесс радиоактивного распада.В результате через несколько лет старый объект имеет более низкий процент радиоактивности, чем новый объект. Измеряя эту разницу, археологи могут определить приблизительный возраст объекта.

Промышленное использование

Мы могли бы целый день говорить о многочисленных и разнообразных применениях излучения в промышленности и не завершать список, но несколько примеров иллюстрируют эту мысль. При облучении, например, продукты питания, медицинское оборудование и другие вещества подвергаются воздействию определенных типов излучения (например, рентгеновских лучей), чтобы убить микробы, не нанося вреда дезинфицируемому веществу — и не делая его радиоактивным.При такой обработке продукты портятся намного дольше, а медицинское оборудование (например, бинты, шприцы для подкожных инъекций и хирургические инструменты) стерилизуются без воздействия токсичных химикатов или сильной жары. В результате, там, где мы сейчас используем хлор — химическое вещество, которое токсично и с которым трудно обращаться, — мы можем когда-нибудь использовать радиацию для дезинфекции питьевой воды и уничтожения микробов в сточных водах. Фактически, ультрафиолетовый свет (форма излучения) уже используется для дезинфекции питьевой воды в некоторых домах.

Аналогичным образом, излучение используется для удаления токсичных загрязнителей, таких как выхлопные газы угольных электростанций и промышленности. Например, электронно-лучевая радиация может удалить из окружающей среды опасные диоксиды серы и оксиды азота. Ближе к дому многие ткани, из которых шьется наша одежда, были облучены (обработаны радиацией) перед тем, как подвергнуться воздействию выделяющих почву или устойчивых к образованию морщин химикатов. Эта обработка заставляет химические вещества связываться с тканью, чтобы наша одежда оставалась свежей и без морщин в течение всего дня, но при этом наша одежда не становится радиоактивной.Точно так же посуда с антипригарным покрытием обрабатывается гамма-излучением, чтобы еда не прилипала к металлической поверхности.

В сельском хозяйстве радиация используется для улучшения производства и упаковки пищевых продуктов. Семена растений, например, подверглись радиационному воздействию, что привело к появлению новых и лучших видов растений. Помимо усиления растений, радиация может использоваться для борьбы с популяциями насекомых, тем самым сокращая использование опасных пестицидов. Радиоактивный материал также используется в датчиках, которые измеряют толщину яичной скорлупы, чтобы отсеивать тонкие, бьющиеся яйца перед их упаковкой в ​​картонные коробки.Кроме того, многие из наших пищевых продуктов упакованы в полиэтиленовую термоусадочную пленку, прошедшую облучение, чтобы ее можно было нагреть выше своей обычной точки плавления, и обернуть их вокруг продуктов, чтобы обеспечить герметичное защитное покрытие.

Повсюду мы видим светоотражающие знаки, обработанные радиоактивным тритием и фосфоресцентной краской. Ионизирующие детекторы дыма, использующие крошечный кусочек америция-241, следят за тем, как мы спим. Датчики, содержащие радиоизотопы, измеряют количество воздуха, попадающего в наше мороженое, в то время как другие предотвращают утечку, поскольку наши бутылки с газировкой тщательно заполняются на заводе.

Инженеры также используют датчики, содержащие радиоактивные вещества, для измерения толщины бумажных изделий, уровней жидкости в резервуарах с нефтью и химикатами, а также влажности и плотности почвы и материалов на строительных площадках. Они также используют рентгеновский метод, называемый рентгенографией, для обнаружения в противном случае незаметных дефектов в металлических отливках и сварных швах. Рентгенография также используется для проверки потока масла в закрытых двигателях, а также скорости и способа износа различных материалов. В каротажных устройствах используются радиоактивный источник и оборудование для обнаружения, чтобы идентифицировать и регистрировать образования глубоко внутри ствола скважины (или скважины) для добычи нефти, газа, минералов, грунтовых вод или геологических исследований.Радиоактивные материалы также питают наши мечты о космосе, поскольку они питают наши космические корабли и снабжают электричеством спутники, которые отправляются в миссии в самые отдаленные регионы нашей солнечной системы.

Атомные электростанции

Электроэнергия, производимая при делении ядер — расщеплении атома — является одним из самых больших применений излучения. Поскольку наша страна становится нацией потребителей электроэнергии, нам нужен надежный, обильный, чистый и доступный источник электроэнергии. Мы полагаемся на то, что он дает нам свет, помогает нам ухаживать и кормить себя, поддерживает работу наших домов и предприятий и обеспечивает работу многих машин, которые мы используем.В результате мы используем около трети наших энергоресурсов для производства электроэнергии.

Электричество можно производить разными способами — с помощью генераторов, работающих от солнца, ветра, воды, угля, нефти, газа или ядерных ядер. В Америке атомные электростанции являются вторым по величине источником электроэнергии (после угольных электростанций), производя примерно 21 процент электроэнергии нашей страны.

Назначение атомной электростанции — кипячение воды для производства пара для питания генератора для производства электроэнергии .Хотя атомные электростанции во многом похожи на другие типы электростанций, вырабатывающих электроэнергию, между ними есть некоторые существенные различия. За исключением солнечных, ветряных и гидроэлектростанций, электростанции (в том числе те, которые используют ядерное деление) кипятят воду для производства пара, который вращает похожие на пропеллер лопасти турбины, вращающей вал генератора. Внутри генератора катушки из проволоки и магнитные поля взаимодействуют, создавая электричество. На этих установках энергия, необходимая для превращения воды в пар, производится либо путем сжигания угля, нефти или газа (ископаемое топливо) в печи, либо путем расщепления атомов урана на атомной электростанции.На атомной электростанции ничего не горит и не взрывается. Скорее урановое топливо выделяет тепло в результате процесса, называемого делением.

Атомные электростанции работают на уране, который выделяет радиоактивные вещества. Большинство этих веществ находится в урановых топливных таблетках или в герметичных металлических топливных стержнях. Однако небольшие количества этих радиоактивных веществ (в основном газы) смешиваются с водой, которая используется для охлаждения реактора. Другие примеси в воде также становятся радиоактивными при прохождении через реактор.Вода, которая проходит через реактор, обрабатывается и фильтруется для удаления этих радиоактивных примесей перед возвращением в окружающую среду. Тем не менее, незначительные количества радиоактивных газов и жидкостей в конечном итоге выбрасываются в окружающую среду при контролируемых и контролируемых условиях.

Комиссия по ядерному регулированию США (NRC) установила ограничения на выброс радиоактивности с атомных электростанций. Хотя последствия очень низких уровней радиации трудно обнаружить, ограничения NRC основаны на предположении, что воздействие на население искусственных источников радиации должно составлять лишь небольшую часть облучения, которое люди получают от естественных фоновых источников.

Опыт показал, что во время нормальной эксплуатации атомные электростанции обычно выделяют лишь небольшую часть радиации, допускаемой установленными NRC лимитами. Фактически, человек, который проводит полный год на границе площадки атомной электростанции, получит дополнительное облучение в размере менее 1 процента от радиации, которую каждый получает от источников естественного фона . Это дополнительное облучение, составляющее около 1 миллибэра (единица измерения поглощения излучения и его эффектов), не вызывает какого-либо вреда для человека.

Страница Последняя редакция / обновление 20 марта 2020 г.

11 примеров излучения в повседневной жизни — StudiousGuy

Что такое радиация? Радиация — это не что иное, как испускание и распространение энергии. Однако необязательно, чтобы излучение происходило только от радиоактивных веществ. Радиация включает в себя все формы энергии. С незапамятных времен он был частью окружающей среды.Что бы мы ни делали или куда бы мы ни пошли, мы не можем избежать этой формы энергии. Мы окружены рядом радиоактивных веществ, таких как полы, стены и крыши наших домов и офисов. Кроме того, в еде, которую мы едим, присутствуют радиоактивные материалы. Не только он, но и окружающий нас воздух содержит радиоактивные газы. Вы можете найти это довольно удивительным, но наши собственные тела содержат много естественных радиоактивных элементов.

В этой статье мы подробнее рассмотрим реальные примеры излучения.

1. Солнце

Одним из важнейших источников энергии является Солнце. Космическое излучение, испускаемое Солнцем, представляет собой смесь электромагнитных волн; которые варьируются от инфракрасных (ИК) до ультрафиолетовых (УФ) лучей. Кроме того, он также излучает видимый свет. Большая часть излучения Солнца поглощается атмосферой. Однако часть, не поглощаемая атмосферой, достигает Земли. Люди почти всегда подвергаются воздействию этой части излучения.

2. Горелка

Во время кипячения воды или приготовления пищи вы снова подвергаетесь воздействию радиации. Видимый признак радиации — это когда вы нагреете какое-либо вещество настолько, насколько сможете, скажем, например, длительное нагревание плиты заставит ее светиться красным. Это видимый признак радиации. Однако, даже если он явно не светится, он также излучает тепло. Более того, если плита и дно сковороды физически не соприкасаются, радиация отвечает за передачу тепла от плиты к сковороде.

3. Телевидение

Телевидение стало одной из самых распространенных форм развлечения за последние несколько лет. Телевидение тоже излучает излучение. Старые телевизоры излучают рентгеновские волны, которые легко поглощаются человеческим телом, а также вредны. Однако в современных телевизорах используются жидкокристаллические (ЖК) или плазменные дисплеи, которые не только менее вредны, чем старые телевизоры, но и не способны производить рентгеновское излучение. Тем не менее современное технологическое оборудование излучает радиоволны.

4. Костер и свеча

Когда бы вы ни отправились в поход, вы могли бы развести костер и погреться вместе с друзьями. Сидя у костра, вы подвергаетесь воздействию радиации. То же самое происходит, когда вы зажигаете свечу. Воздействие огня также приводит к облучению.

5. Медицинская визуализация

Нет сомнений в том, что во время медицинской визуализации человек подвергается воздействию радиации на высоком уровне.Во время рентгена, компьютерной томографии и ядерной визуализации внутренние органы и структуры тела выявляются путем проникновения высокоэнергетических волн или частиц.

6. Стерео

Радиоволны чаще всего используются для связи. Телевидение, сотовые телефоны и радио используют радиоволны и, в свою очередь, преобразуют их в вибрации, чтобы можно было создавать звуковые волны. К искусственным источникам радиоволн относятся электрические генераторы, линии электропередач, приборы и радиопередатчики.

7. Духовка

Для разогрева пищи в микроволновой печи используются высокие уровни излучения. Пища в микроволновой печи нагревается, когда микроволны поглощаются водой, содержащейся в пище. Поглощение микроволн заставляет молекулы воды вибрировать и, следовательно, выделять тепло.

8. Мобильные телефоны

Возможно, вас не удивит тот факт, что мобильные телефоны излучают неионизирующее излучение своими антеннами.Воздействие радиочастотного излучения вызывает нагревание той области тела, где держат мобильный телефон, например, около уха. Однако количества излучаемого тепла недостаточно для повышения температуры тела.

9. Черный свет

Большое количество ультрафиолетового излучения производится соляриями, черным светом, ртутными лампами, галогенными лампами, люминесцентными источниками и источниками накаливания, а также некоторыми типами лазеров, которые являются искусственными источниками излучения.Черный свет, также известный как ультрафиолетовые лампы, излучает ультрафиолетовое излучение, которое человеческому глазу кажется черным светом.

10. Маршрутизатор Wi-Fi

С развитием технологий маршрутизаторы Wi-Fi нашли свое применение в каждом доме. Нельзя отрицать тот факт, что Wi-Fi стал важной частью нашей повседневной жизни. Однако вы можете быть удивлены, узнав, что маршрутизаторы Wi-Fi также излучают электромагнитное излучение. Воздействие такого электромагнитного излучения также может иметь последствия для здоровья человека.

11. Лазерный луч

Как видно из названия, излучение, вызванное усилением света, также вызывает излучение. Воздействие лазера часто становилось причиной временной слепоты, дезориентации и головных болей. Однако лазеры нашли широкое применение в литографии, печати, оптике, секвенировании ДНК, медицине и хирургии, а также в лазерной резке.

Источники изображений
  • americannursetoday.com
  • и.pinimg.com
  • thebonfiretexas.com
  • safetysign.com
  • dhresource.com
  • pcquest.com
  • scied.ucar.edu
  • edublognss.files.wordpress.com
  • secure.i.telegraph.co.uk

Электромагнитное излучение — обзор

Электромагнитное излучение.

Электромагнитное излучение — это электрическое и магнитное возмущение, перемещающееся в пространстве со скоростью света (2,998 × 108 м / с).Он не содержит ни массы, ни заряда, а перемещается в пакетах лучистой энергии, называемых фотонами или квантами. Примеры электромагнитного излучения включают радиоволны и микроволны, а также инфракрасное, ультрафиолетовое, гамма и рентгеновское излучение. Некоторые источники электромагнитного излучения включают источники в космосе (например, солнце и звезды), радиоактивные элементы и промышленные устройства. ЭМ проявляет двойственную природу волн и частиц.

Электромагнитное излучение распространяется в форме волны с постоянной скоростью. Волновые характеристики электромагнитного излучения находятся в зависимости скорости от длины волны (расстояние по прямой линии одного цикла) и частоты (циклов в секунду или герц, Гц), выраженных в формуле

c = λv

где c = скорость, λ = длина волны и v = частота.

Поскольку скорость постоянна, любое увеличение частоты приводит к последующему уменьшению длины волны. Следовательно, длина волны и частота обратно пропорциональны. Все формы электромагнитного излучения сгруппированы в соответствии с длиной волны в электромагнитный спектр, показанный на Рисунке 1-3.

Частичная природа электромагнитного излучения проявляется во взаимодействии ионизирующих фотонов с веществом. Количество энергии (E), обнаруженное в фотоне, равно его частоте ( ν ), умноженной на постоянную Планка (h):

E = νh

Энергия фотона прямо пропорциональна частоте фотона.Энергия фотонов измеряется в эВ или кэВ (килоэлектронвольтах). Энергетический диапазон диагностического рентгеновского излучения составляет от 40 до 150 кэВ. Гамма-лучи, рентгеновские лучи и некоторые ультрафиолетовые лучи обладают достаточной энергией (> 10 кэВ), чтобы вызвать ионизацию.

Энергия электромагнитного излучения определяет его полезность для диагностической визуализации. Из-за чрезвычайно короткой длины волны гамма-лучи и рентгеновские лучи способны проникать через большие части тела. Гамма-лучи используются при визуализации радионуклидов. Рентгеновские лучи используются для получения изображений на обычной пленке и компьютерной томографии (КТ).Видимый свет применяется для наблюдения и интерпретации изображений. Магнитно-резонансная томография (МРТ) использует радиочастотное электромагнитное излучение в качестве среды передачи (см. Рис. 1-3).

История радиации

5 апреля 2015 г. | Мирион Технологии

МАРИ КЮРИ, АНРИ БЕКВЕРЕЛЬ, ВИЛЬГЕЛЬМ РОНТГЕН Мария и Пьер Кюри с Анри Беккерелем


Современное понимание ионизирующего излучения началось в 1895 году с Вильгельма Рентгена.В процессе проведения различных экспериментов по приложению токов к разным электронным лампам он обнаружил, что, несмотря на то, что он закрыл одну из них экраном, чтобы блокировать свет, казалось, что сквозь нее проходят лучи, которые вступают в реакцию с раствором бария на экране, который он поместил поблизости. . После нескольких экспериментов, в том числе первой фотографии (руки и скелета его жены) с новыми лучами, он временно назвал их «рентгеновскими лучами» как обозначение чего-то неизвестного, и это название прижилось.

«Сначала это показалось новым видом невидимого света.Это было явно что-то новое, что-то незарегистрированное … »- ВИЛЬГЕЛЬМ РЁНТГЕН

За этим открытием в 1896 году последовало открытие Анри Беккереля, что соли урана естественным образом испускают аналогичные лучи. Хотя первоначально он думал, что лучи испускаются фосфоресцирующими солями урана после длительного пребывания на солнце, он в конце концов отказался от этой гипотезы. В ходе дальнейших экспериментов, включая нефосфоресцентный уран, он вместо этого пришел к выводу, что это сам материал испускает лучи.

Хотя это явление открыл Анри Беккерель, его докторант Мария Кюри назвала его радиоактивностью. Она продолжит свою новаторскую работу с радиоактивными материалами, включая открытие дополнительных радиоактивных элементов: тория, полония и радия. Она дважды была удостоена Нобелевской премии: один раз вместе с Анри Беккерелем и ее мужем Пьером по физике за их работу с радиоактивностью, а спустя годы — по химии за открытие радия и полония.Она также вела новаторскую работу в области радиологии, разрабатывая и внедряя мобильные рентгеновские аппараты на полях сражений Первой мировой войны.

«Мы не должны забывать, что когда был открыт радий, никто не знал, что он пригодится в больницах. Работа была чистой наукой. И это доказательство того, что научный труд нельзя рассматривать с точки зрения его непосредственной полезности. Это должно быть сделано для себя, ради красоты науки, и тогда всегда есть шанс, что научное открытие может стать, как радий, благом для человечества.»- МАРИ КЮРИ

Она умерла в 1934 году от апластической анемии, которая, вероятно, возникла в результате длительного воздействия различных радиоактивных материалов, опасность которого по-настоящему осознали только спустя долгое время после того, как произошла большая часть ее воздействия. Фактически, ее документы (и даже ее поваренная книга) все еще очень радиоактивны, и многие из них считаются небезопасными в обращении, хранятся в экранированных коробках и требуют защитного оборудования для безопасного просмотра.

РАДИУМ-ЧАСОВЫЕ ХОЛОДИЛЬНИКИ

Одним из первых крупных событий, подчеркнувших опасность ионизирующего излучения, стал случай с «Радиевыми девушками», работавшими над окраской циферблатов часов радием.Несмотря на то, что у руководства компании было достаточно подозрений в отношении воздействия ионизирующего излучения, чтобы принять меры предосторожности, они ничего не предложили рабочим, покрашивающим циферблаты часов. Многие из них облизывали кисти, чтобы придать им правильную форму. Поскольку человеческий организм рассматривает радий как кальций, он откладывается в костях и приводит к лучевой болезни. Неизвестно, сколько человек умерло от радиационного облучения.

Радиационные часы, работающие маляры циферблатов


После того, как пятеро рабочих подали в суд на компанию (United States Radium) и последовавшую за этим огласку, риски для здоровья от радиационного облучения были доведены до сведения общественности.Общественный интерес и доступность большой выборки (на протяжении многих лет в мастерах по рисованию циферблатов работало до 4000 человек) привели к первому долгосрочному исследованию радиационного воздействия. Наконец, закончившийся в 1993 году, он предоставил обширную информацию о долгосрочном эффекте радиационного воздействия. Этот случай также спровоцировал радикальные изменения как в области безопасности и ответственности на рабочем месте, так и в области физики здоровья, касающейся последствий для здоровья и вопросов безопасности, связанных с работой с радиоактивными материалами.

ПРОЕКТ МАНХАТТЕН И ХОЛОДНАЯ ВОЙНА

Манхэттенский проект, краш-исследование, проведенное во время Второй мировой войны для разработки первой атомной бомбы, привело непосредственно ко второму долгосрочному исследованию последствий длительного радиационного облучения, а именно изучению выживших после взрывов бомб в Хиросиме и Нагасаки. . Взрывы, в результате которых погибло более 150 000 человек (по некоторым оценкам, общее число приближается к 245 000 или более), также оставили в живых более 600 000 человек (хибакуша, буквально «люди, пострадавшие от взрыва»), многие из которых были изучены годами. поскольку.Среди результатов было то, что, похоже, не было увеличения врожденных дефектов у тех, кто выжил после взрывов. Однако было зарегистрировано около 1900 смертей от рака, которые могут быть напрямую связаны с бомбардировками.

Испытание Тринити (первое испытание атомного оружия) взрыв через две секунды после взрыва


С момента создания и взрыва атомных бомб, которые положили начало «атомной эре», многое изменилось в нашем понимании и применении радиации и радиоактивных материалов.На протяжении всей холодной войны обе стороны экспериментировали со свойствами и использованием радиоактивных материалов в различных испытательных реакторах и связанных с ними объектах, стремясь использовать как стратегически ценную наступательную мощь радиоактивных материалов для ядерного оружия, так и потенциально ценные применения в других областях. такие как медицина, рентгенография и другие.

Комплексный подход на молекулярной основе

Мы исследуем взаимодействие инфракрасных активных молекул в атмосфере с их собственным тепловым фоновым излучением, а также с излучением от внешнего излучателя абсолютно черного тела.Мы показываем, что фоновое излучение можно хорошо понять только в терминах спонтанного излучения молекул. Процессы излучения и теплопередачи в атмосфере описываются уравнениями скорости, которые решаются численно для типичных условий тропосферы и стратосферы, демонстрируя преобразование тепла в излучение и наоборот. Рассмотрение процессов взаимодействия в молекулярном масштабе позволяет разработать исчерпывающую теоретическую концепцию описания переноса излучения в атмосфере.Представлена ​​обобщенная форма уравнения переноса излучения, которая охватывает как предельные случаи тонкой, так и плотной атмосферы и допускает непрерывный переход от низкой плотности к высокой, контролируемый параметром, зависящим от плотности. Представлено моделирование восходящей и нисходящей радиации и ее взаимодействия с наиболее заметными парниковыми газами — водяным паром, углекислым газом, метаном и озоном в атмосфере. Радиационное воздействие при удвоенной концентрации CO 2 оказалось на 30% меньше, чем значение IPCC.

1. Введение

Радиационные процессы в атмосфере играют важную роль в энергетическом и радиационном балансе системы Земля-атмосфера. Нисходящее излучение вызывает нагревание поверхности земли из-за прямого поглощения солнечного света, а также из-за обратного излучения атмосферы, которое является источником так широко обсуждаемого атмосферного парникового эффекта или атмосферного нагревающего эффекта. Восходящее излучение способствует охлаждению и гарантирует, что поглощенная энергия Солнца и земного излучения может быть возвращена в космос, а температура Земли может быть стабилизирована.

Для всех этих процессов, в частности, важно взаимодействие излучения с инфракрасными активными молекулами. Эти молекулы сильно поглощают земное излучение, испускаемое земной поверхностью, и они также могут быть возбуждены за счет теплопередачи в атмосфере. Поглощенная энергия равномерно переизлучается в полный телесный угол, но до некоторой степени также повторно поглощается в атмосфере, так что излучение лежит в основе процесса непрерывного взаимодействия и модификации на всем протяжении распространения.

Хотя основные соотношения для этого взаимодействия излучения с молекулами уже хорошо известны с начала прошлого века, до сих пор правильное применение этих соотношений, их важность и их последствия для атмосферной системы довольно противоречиво обсуждаются в сообщество климатических наук.

Таким образом, представляется необходимым и целесообразным дать краткий обзор основных физических соотношений и на этой основе представить новый подход к описанию переноса излучения в атмосфере.

В разделе 2 мы начнем с основных квантово-теоретических соображений Эйнштейна об излучении [1] и закона излучения Планка [2], чтобы исследовать взаимодействие молекул с их собственным тепловым фоновым излучением под влиянием столкновений молекул и при термодинамическом равновесии [ 3, 4]. Мы показываем, что тепловое излучение газа можно хорошо понять только в терминах спонтанного излучения молекул. Это справедливо при низких давлениях с небольшим количеством столкновений молекул, а также при более высоких давлениях и высокой частоте столкновений.

В разделе 3 изучается также влияние излучения от внешнего излучателя черного тела и дополнительного возбуждения тепловым источником. Процессы излучения и теплопередачи, исходящие от Солнца и / или поверхности Земли, описываются скоростными уравнениями, которые решаются численно для типичных условий, существующих в тропосфере и стратосфере. Эти примеры сразу иллюстрируют преобразование тепла в излучение и наоборот.

В разделе 4 мы выводим уравнение Шварцшильда [5–11] как фундаментальное соотношение для переноса излучения в атмосфере.Это уравнение выводится из чисто молекулярных соображений, описывающих тепловое излучение газа как спонтанное излучение молекул. Это уравнение исследуется в условиях лишь небольшого числа межмолекулярных столкновений, как в верхней мезосфере или мезопаузе, так и при высоких частотах столкновений, наблюдаемых в тропосфере. Следуя некоторым модифицированным соображениям Милна [12], представлена ​​обобщенная форма уравнения переноса излучения, которая охватывает как предельные случаи тонкой, так и плотной атмосферы и допускает непрерывный переход от низкой плотности к высокой, контролируемый параметром, зависящим от плотности.Это уравнение выводится для спектральной яркости, а также для спектральной плотности потока (спектральной интенсивности) как телесного углового интеграла яркости.

В разделе 5 обобщенное уравнение переноса излучения применяется для моделирования восходящей и нисходящей радиации и ее взаимодействия с наиболее заметными парниковыми газами — водяным паром, углекислым газом, метаном и озоном в атмосфере. Из этих расчетов можно получить подробный баланс энергии и излучения, отражающий различный вклад этих газов в вполне реальных условиях в атмосфере.В частности, они показывают доминирующее влияние водяного пара на весь инфракрасный спектр и объясняют, почему дальнейшее увеличение концентрации CO 2 дает лишь незначительные поправки в балансе излучения.

Целью данной статьи не является объяснение основ атмосферного парникового эффекта или доказательство его существования в этих рамках. Тем не менее, основные соображения и производные соотношения для молекулярного взаимодействия с излучением имеют некоторое прямое значение для понимания и интерпретации этого эффекта, и они дают теоретическую основу для его общего расчета.

2. Взаимодействие молекул с термальной ванной

Когда газ находится в термодинамическом равновесии с окружающей средой, это можно описать средней температурой. Подобно любому веществу при данной температуре, которое находится в гармонии с окружающей средой, оно также является источником серого или черного излучения как часть термальной ванны окружающей среды. В то же время этот газ взаимодействует со своим собственным излучением, вызывая своего рода самовозбуждение молекул, что в конечном итоге приводит к заселению молекулярных состояний, определяемых распределением Больцмана.

Такое взаимодействие, впервые рассмотренное Эйнштейном [1], воспроизводится в первой части этого раздела с небольшими изменениями, но с учетом основных мыслей. Во второй части этого раздела также рассматриваются столкновения между молекулами и выводятся некоторые основные следствия для описания термостата.

2.1. Вывод теплового излучения Эйнштейна

Молекулы характеризуются переходом между энергетическими состояниями и с энергией перехода где — постоянная Планка, скорость света в вакууме, частота перехода и — длина волны перехода (см. рисунок 1).


Планковское излучение . Излучение полости черного тела при температуре может быть представлено его спектральной плотностью энергии (единицы: Дж / м 3 / мкм м), которая подчиняется закону излучения Планка [2] с или как функция частоты принимает вид Это распределение показано на рисунке 2 для трех различных температур в зависимости от длины волны. — показатель преломления газа.


Отношение Больцмана .В соответствии с принципом Больцмана относительная заселенность состояний и теплового равновесия равна [3, 4] с плотностями населенностей верхнего и нижнего состояний и в качестве статистических весов, представляющих вырождение этих состояний, в виде постоянной Больцмана и температуры газа.

На данный момент, если пренебречь какими-либо столкновениями молекул, между этими состояниями могут иметь место три различных перехода.

Самопроизвольное излучение .Спонтанное излучение происходит независимо от какого-либо внешнего поля и характеризуется статистическим излучением фотона энергии в телесный угол с вероятностью в пределах временного интервала, равной коэффициенту спонтанного излучения Эйнштейна, иногда также называемому вероятностью спонтанного излучения (единицы: с -1 ).

Индуцированная абсорбция . Когда молекулы подвергаются воздействию электромагнитного поля, энергия молекул может изменяться таким образом, что благодаря резонансному взаимодействию с излучением молекулы могут быть возбуждены или девозбуждены.Когда молекула изменяется из, она поглощает фотон энергии и увеличивает свою внутреннюю энергию на эту величину, в то время как энергия излучения уменьшается на такую ​​же величину.

Вероятность этого процесса находится путем интегрирования по всем частотным компонентам в пределах интервала, способствующим взаимодействию с молекулами: Этот процесс известен как наведенное поглощение с коэффициентом наведенного поглощения Эйнштейна (единицы: м 3 · Гц / Дж / с), как спектральная плотность энергии излучения (единицы: Дж / м 3 / Гц) и как нормированная функция формы линии, которая описывает частотно-зависимое взаимодействие излучения с молекулами и обычно удовлетворяет соотношению: Поскольку он намного шире, его можно считать постоянным по ширине линии, а с учетом (7) интеграл в (6) можно заменить спектральной плотностью энергии на частоте перехода: Тогда вероятность индуцированных процессов поглощения просто становится равной

Индуцированное излучение .Переход от, вызванный излучением, называется индуцированным или вынужденным излучением. Вероятность этого перехода равна с коэффициентом индуцированного излучения Эйнштейна.

Общая скорость перехода . В условиях термодинамического равновесия общее количество поглощающих переходов должно быть таким же, как и количество выбросов. Эти числа зависят от населенности состояния и вероятностей перехода в другое состояние. Согласно (5) — (10) это можно выразить как или более универсально описывается уравнениями скорости: При (12) становится идентичным (11).Использование (4) в (11) дает Предполагая, что with также становится бесконечным и должно удовлетворять соотношению: Тогда (13) принимает вид или решив дать Это выражение в рассмотрении Эйнштейна относится к тому же типу, что и планковское распределение для спектральной плотности энергии. Следовательно, сравнение (3) и (16) при дает: показывая, что вероятности индуцированных переходов также пропорциональны скорости спонтанного излучения, а в единицах энергии фотона масштабируются с.

2.2. Связь с другими спектроскопическими величинами

Коэффициенты Эйнштейна для индуцированного поглощения и излучения напрямую связаны с некоторыми другими хорошо установленными величинами в спектроскопии, сечениями для индуцированных переходов и коэффициентами поглощения и усиления образца.

2.2.1. Поперечное сечение и коэффициент поглощения

Излучение, распространяющееся в -направлении через поглощающий образец, ослабляется из-за взаимодействия с молекулами.Спад спектральной энергии подчиняется закону Ламберта-Бера, который здесь представлен в его дифференциальной форме: где — коэффициент поглощения (единицы: см −1 ) и — поперечное сечение (единицы: см 2 ) наведенного поглощения.

Однако для более общего анализа необходимо учитывать также процессы выбросов, которые частично или полностью компенсируют потери на поглощение. Затем следует различать два случая: ситуацию, которую мы обсуждаем в этом разделе, когда молекулы являются частью термальной ванны окружающей среды, и, с другой стороны, случай, когда направленное внешнее излучение преобладает над газовым облаком, который будет рассмотрен. в следующем разделе.

В реальном случае (18) необходимо расширить двумя членами, представляющими индуцированное, а также спонтанное излучение. Подобно поглощению, индуцированное излучение определяется сечением индуцированного излучения, населенностью верхнего состояния и спектральной плотностью излучения. Теперь продукт описывает усиление и известен как коэффициент усиления.

Кроме того, спонтанно испускаемые фотоны в пределах рассматриваемого элемента объема и временного интервала вносят вклад в спектральную плотность энергии теплового фонового излучения с Тогда в целом это дает Как мы увидим в разделе 2.5 и далее в Разделе 3.3 или Разделе 4, (19) является источником теплового фонового излучения в газе, а (20) уже представляет собой теоретическую основу для расчета радиационного переноса теплового излучения в атмосфере.

Частотная зависимость и, а значит, и резонансное взаимодействие излучения с молекулярным переходом могут быть явно выражены нормированной функцией формы линии как Уравнение (20) может быть преобразовано во временную область с помощью формы линии и дополнительно интегрировано по ней.Когда можно считать широким по сравнению с, плотность энергии как интеграл по форме линии ширины становится Эту плотность энергии теплового излучения (единицы: Дж / м 3 ) также можно выразить через плотность фотонов в газе, умноженную на энергию фотона на Поскольку каждое поглощение фотона уменьшает населенность состояния и увеличивается на ту же величину — для излучения это прямо противоположно — это дает что совпадает с балансом в (12).Сравнение первых членов правой части и применение (17) дает тождество и поэтому Сравнение вторых слагаемых в (12) и (24) дает Итак, вместе с (21) и (27) мы получаем в качестве окончательных выражений для и:

2.2.2. Эффективное сечение и интенсивность спектральной линии

Часто первые два члена в правой части (20) объединены и представлены эффективным сечением.Далее, связывая взаимодействие с общей плотностью молекул, он применяет и становится Интегрирование (30) по ширине линии дает интенсивность спектральной линии перехода (рисунок 3): поскольку он используется и приводится в таблицах в базах данных [13, 14] для характеристики силы поглощения при переходе.


2.2.3. Эффективный коэффициент поглощения

Аналогично (30) и (31), эффективный коэффициент поглощения на переходе можно определить как которое после замены из (17) принимает более общий вид:

2.3. Столкновения

Обычно молекулы газа лежат в основе столкновений, которые могут возмущать фазу излучающей молекулы и, кроме того, вызывать переходы между молекулярными состояниями. Скорость перехода из-за невозбужденных, неизлучающих столкновений (сверхупругие столкновения 2-го типа) может быть названа, а скорость перехода из (неупругие столкновения 1-го типа) — возбуждающими столкновениями, соответственно (см. Рисунок 4).


2.3.1. Скоростные уравнения

Затем, используя (25) и сокращения, а также скорости перехода, индуцированные излучением, или вероятности перехода (единицы: с -1 ) уравнения скорости как обобщение (12) или (24) и дополнительно дополненные балансом плотности электромагнитной энергии или плотности фотонов (см. (22) — (24)) принимают вид: При термодинамическом равновесии левые части (35) обращаются в ноль.Тогда, также и даже особенно при наличии столкновений, заселенности состояний будут определяться статистической термодинамикой. Итак, складывая первое и третье уравнения (35) вместе с (4), мы получаем довольно универсальное соотношение для частот столкновений показывающий, что переходы из-за неупругих столкновений прямо пропорциональны переходам при сверхупругих столкновениях с коэффициентом пропорциональности, заданным распределением Больцмана. Из (35) также следует, что состояния, которые не связаны разрешенным оптическим переходом, тем не менее, будут иметь те же заселенности, что и состояния с разрешенным переходом.

2.3.2. Скорости радиационно-индуцированных переходов

При замене в (34) на (3) скорости радиационно-индуцированных переходов можно выразить как Подставляя некоторые типичные числа в (37), например длину волны перехода 15 для заметной полосы поглощения и температуру K, мы вычисляем отношение. Предполагая, что почти то же самое найдено для отношения населенностей (см. (4) ) с участием . При скоростях спонтанных переходов порядка s −1 для более сильных линий в этой полосе мы получаем скорость индуцированных излучением переходов только с −1 .

В условиях тропосферы с частотой столкновений между несколькими молекулами 10 9 с −1 , любая скорость индуцированного перехода из-за теплового фонового излучения на порядки меньше, и даже до стратосферы и мезосферы. , большинство переходов вызвано столкновениями, поэтому, прежде всего, они определяют заселенность состояний и в любом случае обеспечивают быструю настройку локального термодинамического равновесия в газе.

Тем не менее, абсолютные числа индуцированных процессов поглощения и излучения на объем, масштабируемые с учетом плотности заселенности вовлеченных состояний (см. (35)), могут быть весьма значительными.Таким образом, при концентрации 400 ppm численность населения в нижнем состоянии оценивается примерно в –3 м (в зависимости от его энергии над уровнем земли). Тогда ожидается более 10 19 процессов поглощения на м 3 , и поскольку такие возбуждения могут происходить одновременно на многих независимых переходах, это приводит к сильному общему взаимодействию молекул с термостатом, что, согласно соображениям Эйнштейна, даже при отсутствии столкновений приводит к термодинамическому равновесию.

2.4. Ширина линии и форма линии перехода

Ширина линии оптического или инфракрасного перехода определяется различными эффектами.

2.4.1. Естественная ширина линии и лоренцева форма линии

Для молекул в состоянии покоя и без каких-либо столкновений, а также без учета уширения по мощности из-за индуцированных переходов, спектральная ширина линии зависит только от естественной ширины линии. что для двухуровневой системы и существенно определяется скоростью спонтанных переходов.и — время жизни нижнего и верхнего состояния.

Форма линии задается лоренцианом, который в нормализованной форме может быть записан как

2.4.2. Уширение при столкновении

При столкновениях в газе ширина линии значительно расширяется из-за столкновений с изменением состояния и фазы. Тогда ширину можно приблизительно оценить как где — дополнительная частота столкновений с изменением фазы. Форма линии далее представлена ​​лоренцианом, только с новой однородной шириной (FWHM) согласно (40).

2.4.3. Доплеровское уширение

Поскольку молекулы имеют среднюю температуру, они также обладают средней кинетической энергией где масса и скорость молекул в квадрате и усреднены. Из-за доплеровского сдвига движущихся частиц частота молекулярных переходов дополнительно расширяется, а количество молекул, взаимодействующих в пределах своей однородной ширины линии с излучением на частоте, ограничено. Это неоднородное уширение определяется распределением Максвелла по скоростям и известно как доплеровское уширение.Нормализованная доплеровская форма линии задается гауссовой функцией вида: с доплеровской шириной линии где — молекулярная масса в атомных единицах, указанная в.

2.4.4. Профиль Фойгта

Для общего случая столкновения и доплеровского уширения свертка и дает универсальную форму линии, представляющую профиль Фойгта в форме:

2,5. Спонтанное излучение как тепловое фоновое излучение

Из уравнений скорости (35) ясно, что также при наличии столкновений абсолютное количество спонтанно испускаемых фотонов за время должно быть таким же, как и без столкновений.Это также является следствием (36), указывающего на то, что с увеличением скорости девозбуждения переходов (без излучения) также растет скорость возникающих столкновений и просто компенсируются любые потери, даже когда коэффициент ветвления излучающих переходов в неизлучающие уменьшается. Другими словами, когда молекула находится в состоянии, вероятность отдельного акта спонтанного излучения уменьшается пропорционально, но в то же время количество распадов, происходящих за время, увеличивается с.

Тогда спектральная плотность мощности в газе за счет спонтанного излучения (см. (19)) представляет собой спектральную скорость генерации фотонов энергии на объем. Фотоны, выходящие из элемента объема, обычно распространяются в соседние области, но таким же образом возникает обратный поток из окрестности, который в однородной среде как раз компенсирует эти потери. Тем не менее, фотоны имеют среднее время жизни, прежде чем они аннигилируют из-за поглощения в газе.Со средним временем жизни фотона где — длина свободного пробега фотона в газе до его поглощения, мы можем записать для спектральной плотности энергии: Тот же результат получается при преобразовании (20) во временную область и в предположении локального термодинамического равновесия с: С учетом (33) и соотношения Больцмана (4) спектральная плотность энергии при оказывается равной Это хорошо известная формула Планка (3), которая показывает, что без дополнительного внешнего возбуждения при термодинамическом равновесии спонтанное излучение молекул можно понимать не иначе как тепловое излучение газа на частоте перехода.

Этот вывод отличается от рассмотрения Эйнштейна, которое привело к (16), поскольку он пришел к выводу, что поле излучения, взаимодействующее с молекулами в тепловом и радиационном равновесии, просто должно быть типа планковского излучателя, в то время как здесь мы рассматриваем происхождение теплового излучения в газовой пробе, которое определяется и по праву определяется исключительно спонтанным излучением самих молекул. Это также верно при наличии столкновений молекул.Из-за этого происхождения тепловое фоновое излучение существует только на дискретных частотах, определяемых частотами переходов и шириной линии молекул, до тех пор, пока отсутствует внешнее излучение. Но на этих частотах сила излучения такая же, как у излучателя черного тела.

Поскольку это спонтанное излучение изотропно испускает фотоны в полный телесный угол, в среднем половина излучения направляется вверх, а половина — вниз.

3.Взаимодействие молекул с тепловым излучением внешнего источника

В этом разделе мы рассмотрим взаимодействие молекул с дополнительным излучением черного тела, испускаемым внешним источником, таким как поверхность земли или соседние слои атмосферы. Мы также исследуем передачу поглощенного излучения в тепло при столкновениях молекул, вызывающих повышение температуры атмосферы. И наоборот, мы изучаем передачу теплового потока излучению, приводящую к охлаждению газа.Подходящим средством для описания взаимного взаимодействия этих процессов является выражение его связанными скоростными уравнениями, которые решаются численно.

3.1. Основные количества
3.1.1. Спектральная яркость

Мощность, излучаемая элементом поверхности на частоте в частотном интервале и в элемент телесного угла, также определяется законом излучения Планка: с как спектральная яркость (единицы: Вт / м 2 / Гц / стерад) и как температура излучающей поверхности источника (например,г., земная поверхность). Член косинуса учитывает тот факт, что для излучения в направлении, заданном азимутальным углом и полярным углом, только проекция перпендикуляра к этому направлению эффективна в качестве излучающей поверхности (излучатель Ламберта).

3.1.2. Spectral Flux Density — Spectral Intensity

Интегрирование по телесному углу дает спектральную плотность потока. Затем, представляя в сферических координатах как как интервал азимутального угла и как интервал полярных углов (см. Рисунок 5), это приводит к: или в единицах длины волны


и, также известные как спектральные интенсивности, указываются в единицах Вт / м 2 / μ м и Вт / м 2 / Гц, соответственно.Они представляют собой поток мощности на частоту или длину волны и на площадь поверхности в этом полушарии, который можно увидеть со стороны излучающего элемента поверхности. Спектральное распределение K излучателя Planck в зависимости от длины волны показано на рисунке 6.


3.2. Распространение лучей в среде с потерями
3.2.1. Spectral Radiance

Излучение, проходящее через поглощающий образец, обычно подчиняется закону Ламберта-Бера, который уже применялся в (18) для спектральной плотности энергии.То же самое и для спектральной яркости с где — расстояние распространения в образце. Это действительно независимо от выбранной системы координат. Буква используется, когда явно не подразумевается распространение, перпендикулярное поверхности земли или слою (-направление).

3.2.2. Спектральная интенсивность

Для спектральной интенсивности, которая из-за свойств ламбертовского излучателя состоит из пучка лучей с разными направлениями распространения и яркостью, необходимо учитывать некоторые основные отклонения.Таким образом, из-за того, что отдельные направления распространения распространяются на телесный угол, только для однородно поглощающей сферы и в сферической системе координат с источником излучения в центре этой сферы расстояния, на которые должен пройти образец, и, следовательно, индивидуальные вклады в общее поглощение будет таким же.

Но излучение, выходящее из плоскопараллельной поверхности и проходящее через поглощающий слой толщиной, лучше характеризуется своим средним расширением перпендикулярно поверхности слоя в -направлении.Это означает, что относительно этого направления отдельный луч, распространяясь под углом к ​​нормали к поверхности, проходит некоторое расстояние, прежде чем покинуть слой (см. Рисунок 7). Следовательно, такой луч с одной стороны способствует большему относительному поглощению, а с другой стороны, он передает это спектральной интенсивности только с весом в соответствии с законом Ламберта.


Это означает, что в первом порядке каждое отдельное направление луча страдает от одного и того же абсолютного затухания, и в частности, более слабые лучи под большими углами распространения растрачивают относительно больше своей предыдущей спектральной яркости.Таким образом, особенно при более высоких значениях силы поглощения и большей длине распространения, исходное распределение Ламберта будет все больше и больше изменяться. Критерием почти неизменного распределения может быть то, что для углов выполняется неравенство. Потери на поглощение для спектральной интенсивности как интеграла от спектральной яркости (см. (51)) тогда определяются выражением Члены косинуса под знаком интеграла просто компенсируют, и (54) можно записать как Это дифференциальное уравнение для спектральной интенсивности показывает, что эффективный коэффициент поглощения в два раза больше, чем спектральная яркость, или, другими словами, средняя длина распространения излучения, проходящего через слой, в два раза превышает толщину слоя.Последнее утверждение означает, что мы также можем предположить излучение, которое поглощается с обычным коэффициентом поглощения, но распространяется как луч под углом к ​​нормали к поверхности. На практике может иметь смысл даже отклонение от угла, чтобы компенсировать отклонения земной или океанической поверхности от ламбертовского излучателя и учесть вклады, обусловленные рассеянием Ми и Рэлея.

Поглощенная спектральная плотность мощности (мощность на объем и на частоту) относительно -направления тогда оказывается равной с начальной спектральной интенсивностью при, как указано в (51).

Дополнительным уменьшением с из-за бокового распространения излучения по полусфере можно пренебречь, поскольку любое распространение излучения предполагается малым по сравнению с радиусом Земли (рассмотрение протяженной излучающей параллельной плоскости).

Интегрирование (56) по форме линии в пределах спектрального интервала дает поглощенную плотность мощности (единицы: Вт / м 3 ), которую аналогично (23) можно также выразить как потерю или аннигиляцию фотонов на единицу объема (в м −3 ) и за раз.Поскольку средняя скорость распространения в -направлении равна, дифференциалы также преобразуются как. С учетом (51) это приводит к или для плотности фотонов в терминах скоростей индуцированных переходов и вызванных внешним полем: с усредненным по ширине линии коэффициентом поглощения (см. также (32)) и с Как и в (37), эти скорости снова пропорциональны вероятности (скорости) спонтанного перехода, но теперь они зависят от температуры внешнего источника и глубины распространения.

В связи с тем, что излучение от поверхности с ламбертовским распределением и только от одного полушария действует на молекулы, отличные от (37), в этом уравнении появляется множитель.

При температуре K и длине волны мкм м, например, отношение индуцированных переходов к спонтанным из-за внешнего поля при составляет Для случая двухуровневой системы также можно выразить естественной шириной линии перехода с (см. (38)) Тогда (59) принимает вид С типичной естественной шириной порядка всего 0.1 Гц в полосе 15 мкм м, то скорость индуцированного перехода будет меньше 0,01 с -1 . Даже на самых сильных переходах около 4,2 мкм м естественная ширина линий составляет всего ~ 100 Гц, и, следовательно, скорости индуцированных переходов составляют около 10 с -1 .

Несмотря на эти небольшие скорости, общее поглощение падающего луча может быть весьма значительным. В атмосфере парниковые газы поглощаются сотнями тысяч переходов на больших длинах распространения и при молекулярных плотностях 10 19 –10 23 на м 3 .На самых сильных линиях в полосе 15 мкм м коэффициент поглощения в центре линии даже достигает. Тогда уже на расстоянии нескольких метров вся мощность будет поглощаться на этих частотах. Таким образом, в общей сложности около 85% всего инфракрасного излучения, выходящего с поверхности земли, будет поглощаться этими газами.

3.2.3. Альтернативный расчет спектральной интенсивности

Для некоторых приложений может быть более выгодным сначала решить дифференциальное уравнение (53) для спектральной яркости как функции от и до интегрирования.

Тогда интегрирование в -направлении по длине с коэффициентом поглощения, зависящим от a, дает и дальнейшая интеграция результатов в Сначала интегрируя и вводя оптическую толщину, а также замену, мы можем написать с (см. (51)) и экспоненциальным интегралом Поскольку дальнейшие рассуждения в этой статье сосредоточены на переносе излучения в атмосфере под действием фонового теплового излучения, более уместно описывать взаимодействие излучения с молекулами ступенчатым распространением через тонкие слои глубины, как это задается формулой ( 55).

3.3. Скоростные уравнения в атмосферных условиях

В качестве дальнейшего обобщения скоростных уравнений (35) в этом подразделе мы дополнительно рассмотрим влияние внешнего излучения, которое вместе с тепловым фоновым излучением действует на молекулы при столкновениях. (см. рисунок 8).


И в отличие от раздела 2, инфракрасные активные молекулы рассматриваются как следы газа в открытой системе, атмосфере, которая должна находиться в равновесии с окружающей средой.Затем молекулы, излучающие из-за своей температуры и, таким образом, теряющие часть своей энергии, должны вернуть эту энергию из окружающей среды с помощью инфракрасного излучения, чувствительного или скрытого тепла или также путем поглощения солнечного света. Это следствие энергосбережения.

Предполагается, что радиационные потери пропорциональны реальной плотности фотонов и масштабируются с учетом скорости потока. Эти потери могут быть компенсированы поглощенной мощностью падающего излучения, например, земного излучения, которая далее выражается через плотность фотонов (см. (57)), а также может быть заменена тепловой энергией.Следовательно, исходные уравнения скорости должны быть дополнены дополнительными соотношениями для этих двух процессов.

Очевидно, что как падающее излучение, так и тепловой поток будут ограничены некоторыми подлинными взаимодействиями. Таким образом, излучение может только способствовать дальнейшему возбуждению, пока оно полностью не поглощается. Однако при более высоких молекулярных плотностях глубина проникновения излучения в газ уменьшается, а вместе с тем уменьшается и эффективное возбуждение через некоторый более длинный элемент объема.Интегрирование (55) по ширине линии с использованием определений (31) и (32) с последующим интегрированием по дает который согласно закону Ламберта-Бера описывает усредненную спектральную интенсивность по ширине линии как функцию распространения в -направлении. Отсюда совершенно очевидно, что глубину проникновения можно определить как длину, на которой начальная интенсивность уменьшается до и, таким образом, показатель степени в (67) становится равным единице с Из (68) также находится числовая плотность молекул, при которой начальная интенсивность просто падает до значения после длины взаимодействия.Поскольку характеризует плотность, при которой возбуждение газа постепенно заканчивается и в этом смысле происходит насыщение, она известна как плотность насыщения, где и также относятся к общей числовой плотности газа.

Так как при постоянном давлении плотность в газе изменяется в зависимости от фактической температуры в соответствии с законом Гей-Люссака, и молекулы распределены по сотням состояний и подсостояний, молекулярная плотность, способствующая взаимодействию с излучением на поверхности переход, дается формулой [15] где — числовая плотность молекул при начальной температуре, — энергия нижнего уровня над основным состоянием, — общая сумма внутренних разделов, определяемая как [15, 16] При типичном распространении в атмосфере длины порядка нескольких километров.Так, для более сильного перехода CO 2 в полосе 15 мкм мкм со спонтанной скоростью, интенсивность спектральной линии или интегральное сечение и спектральная ширина при давлении на грунт, плотность насыщения на типичной длине принимает значение молекул / м 3 . Поскольку плотность воздуха при 1013 гПа и 288 K составляет -3 м, насыщение на рассматриваемом переходе уже происходит при концентрации менее одной ppm.Следует также отметить, что на больших высотах и, следовательно, при более низких плотностях ширина линии из-за расширения под давлением уменьшается. Это означает, что в первом порядке плотность насыщения также уменьшается с, в то время как концентрация газа в атмосфере, при которой возникает насыщение, почти остается постоянной. То же самое и с глубиной проникновения.

Для дальнейшего рассмотрения достаточно ввести среднюю спектральную интенсивность как или, что то же самое, средняя плотность фотонов которая характеризует падающее излучение по отношению к его среднему возбуждению в скоростных уравнениях.В общем, падающий поток на атмосферный слой состоит из двух составляющих: восходящего и нисходящего излучения.

Любой тепловой поток, подводимый к объему газа, способствует расширению объема, и через столкновения и возбуждение молекул он также может быть передан в энергию излучения. Одновременно поглощенное излучение может выделяться в газе в виде тепла. Следовательно, уравнения скорости дополнительно дополняются балансом плотности тепловой энергии воздуха [Дж / м 3 ], который в изобарических условиях и с использованием уравнения идеального газа в форме может быть записан как или после интеграции Здесь представлена ​​удельная теплоемкость воздуха при постоянном давлении с, где — степени свободы молекулы (для N 2 и O 2 🙂 и — универсальная газовая постоянная (при комнатной температуре:).- удельный вес воздуха (при комнатной температуре и давлении на грунт: кг / м 3 ), который может быть выражен как масса молекулы воздуха, мольный вес, число Авогадро, числовая плотность и давление воздуха.

Тепловая энергия может подводиться к элементу объема различными способами. Таким образом, тепловая конвекция и проводимость в газе вносят вклад в тепловой поток [Дж / (с · м 2 )], вызывая временное изменение пропорционально или для одного направления пропорционально.- вектор и указывает от горячего к холодному. Поскольку в этом потоке сильно преобладает конвекция, его можно хорошо аппроксимировать с помощью коэффициента теплопередачи, обычно порядка –15 Вт / м 2 / K. При некотором более или менее равномерном распределении падающего теплового потока по тропосфере (высота км) временное изменение из-за конвекции может быть выражено как мВт / м 3 / K.

Другой вклад в тепловую энергию дает поглощенный солнечный свет, который в присутствии столкновений выделяется в виде кинетической или вращательной энергии молекул.Точно так же скрытое тепло может высвобождаться в воздухе. В уравнениях скорости оба вклада представлены исходным членом [Дж / (с · м 3 )].

Наконец, тепловой баланс определяется возбуждением и снятием возбуждения столкновениями, изменением населенности состояний и, а также уменьшением или увеличением энергии на.

В целом это приводит к набору связанных дифференциальных уравнений, которые описывают одновременное взаимодействие молекул с их собственно генерируемым тепловым фоновым излучением, а также с излучением поверхности земли и / или соседнего слоя, и все это при наличии столкновений и под воздействием процессов теплопередачи: Чтобы обозначить взаимную связь этих уравнений, здесь мы используем обозначение, в котором скорости перехода, индуцированные излучением, представлены коэффициентами Эйнштейна и соответствующими плотностями фотонов.Переход к другому представлению легко выполняется с применением тождеств: Следует отметить, что уравнение скорости для также можно заменить падающим излучением, как указано в (73). Однако, поскольку его равновесное значение приближается к своему значению в течение короткого периода времени по сравнению с другими процессами, для единообразного представления предпочтение было отдано дифференциальной форме.

Для частного случая стационарного равновесия с из уравнения первой скорости, мы получаем для коэффициента заселенности: которое при и благодаря (см. (37) и (60)) в пределе чисто спонтанных процессов распада достигает своего максимального значения 4.4%, в то время как при наличии столкновений с частотой столкновений в тропосфере несколько 10 9 с −1 , она быстро сходится к 3,5%, что определяется соотношением Больцмана при температуре и соответствует локальному термодинамическому равновесию.

В общем случае уравнения скорости должны решаться численно, например, с применением метода конечных элементов. Хотя (76) в представленной форме справедливо только для двухуровневой системы, моделирование в реальных условиях, сравнимых с атмосферой, требует некоторого расширения, особенно в отношении передачи энергии от поверхности земли в атмосферу.Поскольку основные следовые газы CO 2 , водяной пар, метан и озон поглощают падающее инфракрасное излучение одновременно на тысячах переходов, в качестве приемлемого приближения для такого рода вычислений мы считаем эти переходы подобными и независимыми от каждого из них. другие, каждый из которых вносит одинаковый вклад в энергетический баланс. В уравнения скорости это можно легко включить, умножив последний член в уравнении для плотности энергии на эффективное число переходов.

В этом приближении молекулы инфракрасного активного газа и даже смеси газов представлены «стандартным переходом», который отражает динамику и временную эволюцию молекулярных популяций под влиянием падающего излучения, фонового излучения, и теплопередача. вычисляется как отношение полной поглощенной интенсивности инфракрасного излучения на рассматриваемой длине распространения к вкладу одного стандартного перехода.

Пример численного моделирования в тропосфере, точнее для слоя от уровня земли до 100 м, представлен на рисунке 9.На графиках показано изменение плотности фотонов и, плотности населения и состояний, а также плотности накопленного тепла в воздухе и температуры газа (идентичной температуре атмосферы) в зависимости от времени и в виде среднего значения. на высоте 100 м.

В качестве начальных условий мы приняли температуру газа и воздуха, температуру поверхности земли, начальный тепловой поток за счет конвекции, скрытый источник тепла и давление воздуха равное.Взаимодействие земного излучения с инфракрасными активными газами продемонстрировано для CO 2 с концентрацией в воздухе 380 ppm, соответствующей молекулярной плотности при 288 K . Моделирование было выполнено для «стандартного перехода», как обсуждалось ранее, с длиной волны перехода, скоростью спонтанного перехода s -1 , статистическими весами и, спектральной шириной, скоростью столкновительного перехода s -1 (мы не различают скорости вращения и вибрации [10]), глубину проникновения и предполагают скорость потери фотонов s -1 .Для этого расчета не учитывались зависимости и от плотности и температуры. Поскольку в этих условиях вклад одного перехода составляет 0,069 Вт / м 2 в общее ИК-поглощение 212 Вт / м 2 на расстоянии 100 м, переходы представляют собой радиационное взаимодействие со всеми активными газами в атмосфере.

Развитие для другого газа и перехода можно легко отобразить, заменив соответствующие параметры для другого перехода и перекалибровав эффективное число переходов.

Чтобы гарантировать воспроизводимые результаты и избежать каких-либо нестабильностей, временной интервал для пошагового интегрирования системы связанных дифференциальных уравнений должен быть выбран достаточно малым, чтобы избежать изменений, сопоставимых с размером самой вычисляемой величины, или рассчитанные изменения должны быть ограниченным некоторыми верхними границами с учетом некоторых меньших последствий в абсолютном масштабе времени. Применялась последняя процедура, ускоряющая расчеты на несколько порядков.

Моделирование выполняется таким образом, что, начиная с начальных условий для населенностей, плотности фотонов и температуры, на первом этапе изменяются плотности населенностей и фотонов, а также изменение плотности тепла по временной интервал. Изменение тепла вызывает изменение температуры (см. (74)) и дает новую температуру, которая используется для расчета новой скорости передачи столкновений с помощью (36), исправленной населенности по (69) и новой населенности для верхнего состояния по формуле (4).Общая сумма внутренних разделов для CO 2 выводится из данных базы данных HITRAN [13] и аппроксимируется полиномом вида: Новые популяции используются в качестве новых начальных условий для следующего временного шага, на котором снова вычисляется взаимодействие молекул с излучением и любой перенос тепла. Таким образом получают временную эволюцию всех связанных величин, показанных на рисунке 9. Для этого моделирования предполагалось, что все атмосферные компоненты все еще существуют в газовой форме до температуры 40 К.

Относительно медленное изменение кривых связано с тем, что поглощенное ИК-излучение, а также тепловой поток в основном используются для нагрева объема воздуха, который при постоянном давлении воздуха дополнительно расширяется и плотность уменьшается.

Изменения населенности состояний CO 2 , вызванные внешним или тепловым фоновым излучением, связаны с тепловым резервуаром через скорости столкновительных переходов и (см. Последнее уравнение скорости), которые связаны друг с другом соотношением (36 ).Пока рассчитанные населенности отличаются от распределения Больцмана при температуре газа, два члена в скобках этого скоростного уравнения не компенсируют, и их различие способствует дополнительному нагреву, усиленному эффективным числом переходов. Причины меньших отклонений от местного теплового равновесия могут быть вызваны изменениями численности населения из-за внешнего излучения, а также изменениями температуры и плотности с высотой и днем ​​или некоторыми локальными эффектами в атмосфере.И наоборот, когда в газ подается тепловая энергия, тепло может быть передано электромагнитной энергии и повторно излучено молекулами (радиационное охлаждение).

Плотность фотонов (рис. 9 (а)) показывает спонтанное излучение молекул и определяет тепловое фоновое излучение газа. Он в основном регулируется заселенностью верхнего состояния и в равновесии саморегулируется на уровне, где скорость спонтанной генерации просто уравновешивается индуцированными скоростями переходов (оптическими и индуцированными столкновениями) и скоростью потерь, последнее зависит от колебания плотности и температуры в атмосфере.

На рисунке 9 (b) представлена ​​эффективная плотность фотонов, способная возбуждать газ по глубине слоя земным излучением и обратным излучением из вышележащей атмосферы. Предполагалось, что нисходящая часть происходит из слоя с несколько более низкой температурой, чем фактическая температура газа, с градиентом, также изменяющимся с. Кривая сначала снижается, поскольку при небольшом повышении температуры нижнее состояние, которое не является основным состоянием CO 2 , заселено сильнее (см. Также рисунок 9 (c)), и поэтому поглощение на этом переходе увеличивается, в то время как в соответствии с эффектами насыщения эффективное возбуждение сверх уменьшается.При дальнейшем росте температура снова увеличивается, что вызвано уменьшением плотности газа, а также снижается более низкая населенность, сопровождаемая меньшим поглощением.

На рисунках 9 (c) и 9 (d) показано частичное увеличение, а также истощение нижнего состояния и одновременное заполнение верхнего состояния из-за радиационного взаимодействия и теплового нагрева. Население отображается в относительных единицах, нормированных на плотность CO 2 при 288 K.

Тепловая плотность воздуха и температура газа (воздуха) показаны на рисунках 9 (e) и 9 (f). .Примерно до 80 К (первые 70 ч) нагрев определяется конвекцией, а при более высоких температурах все более преобладает радиационный нагрев. Начальный тепловой поток 3 кВт / м 2 кажется относительно большим, но быстро уменьшается с повышением температуры и при разнице в 3 К между поверхностью и нижними слоями атмосферы, как и скрытая теплота, не дает более 40 Вт / м 2 , что составляет лишь 10% земной радиации.

В принципе ожидается, что газ, нагретый внешним источником, не может быть теплее самого источника.Это справедливо для теплового потока, вызванного конвекцией или теплопроводностью, в соответствии со вторым законом термодинамики, но приводит к некоторому противоречию в отношении источника излучения.

В замкнутой системе, как обсуждалось в разделе 2, тепловое излучение, взаимодействующее с молекулами, согласовано с населением молекул, и и излучение, и газ могут характеризоваться уникальной температурой. В открытой системе с дополнительным излучением от внешнего источника температуры преобладающее излучение, взаимодействуя с молекулами, состоит из двух вкладов, которые в целом характеризуются разными температурами и разными процессами потерь.Таким образом, определяет спектральную интенсивность и распределение падающего излучения и в этом смысле определяет поток мощности, который может быть передан молекулам при поглощении этого излучения. Но он не описывает прямую теплопередачу, которая всегда требует среды для переноса и никоим образом не определяет температуру поглощающих молекул. В условиях теплового равновесия и при наличии столкновений молекулы лучше описываются температурой, определяемой из соотношения населенностей, определяемого соотношением Больцмана (4).Эта температура также определяет спонтанное излучение и вместе с потерями определяет тепловое фоновое излучение.

Поскольку поглощение при переходе происходит, пока разность населенностей положительна (равные населенности означают бесконечную температуру), молекулы могут быть хорошо возбуждены источником теплового излучения, температура которого ниже, чем у поглощающего газа. Независимо от этого утверждения ясно, что в состоянии равновесия газ может повторно излучать только то количество энергии, которое ранее было поглощено падающим излучением и / или поглощено в виде тепловой энергии.

В любом случае для атмосферных расчетов кажется разумным ограничить максимальную температуру газа значениями, сопоставимыми с температурой земной поверхности. Адекватным условием для этого является коэффициент радиационных потерь. как получено из скоростных уравнений при стационарном равновесии и с восходящим и нисходящим излучением одинаковой величины.

Расчет для условий в верхних слоях стратосферы на высоте около 60 км показан на рисунке 10.Давление воздуха 0,73 гПа, обычная температура на этой высоте 242,7 К, плотность воздуха -3 м. Плотность CO 2 уменьшается до m -3 при концентрации 380 ppm. При таком более низком давлении ширина линии, вызванная столкновением, на три порядка меньше и уменьшается примерно до . В этих условиях оставшаяся ширина определяется доплеровским расширением до 34 МГц. На этой высоте больше нет земного излучения для возбуждения на переходе.Единственное излучение, взаимодействующее с молекулами, исходит от соседних молекул и собственного фонового излучения.

В качестве начальных условий мы использовали локальную температуру газа и воздуха K, немного превышающую температуру окружающей среды с K, последняя определяет излучение (вверх и вниз) от соседних молекул. Предполагалось, что тепловой поток из соседних слоев или в соседние слои пренебрежимо мал, в то время как тепловая скважина из-за поглощения солнечного света озоном с ~ 15 Вт / м 2 на ~ 50 км в этом случае является единственным источником тепла с мВт / м 3 .Расчет проводился для частоты столкновительных переходов, скорости потери фотонов s −1 , глубины слоя км и эффективного числа переходов (поглощение на стандартном переходе: Вт / м 2 ; полное ИК-поглощение на расстояние более 1 км: 0,4 Вт / м 2 ).

Как и на рисунке 9, графики показывают эволюцию плотности фотонов и, плотности заселенности и состояний и, плотности тепла в воздухе и температуры газа в зависимости от времени.Но в отличие от условий в тропосфере, где преобладающим эффектом был нагрев атмосферы из-за земного тепла и перенос излучения, моделирование на Рисунке 10 демонстрирует эффект радиационного охлаждения в стратосфере, где падающее излучение из соседних слоев и локально испускается. тепло передается излучению и излучается в космос. Будет наблюдаться повышенное переизлучение, как показано на верхнем графике, до тех пор, пока более высокая температура не уменьшится и излучаемая энергия не будет находиться в равновесии с подаваемым потоком энергии.

Из-за более низкой плотности и теплоемкости воздуха при таком пониженном давлении система намного быстрее приходит в стационарное равновесие.

3.4. Термодинамическое и радиационное равновесие

Термодинамическое равновесие в пробе газа означает, что совокупность молекулярных состояний задается распределением Больцмана (4), а газ характеризуется средней температурой. С другой стороны, равновесие спектрального излучения требует, чтобы количество поглощений в рассматриваемом спектральном интервале было равно количеству излучений.Хотя обычно без внешнего излучения любое термодинамическое равновесие в образце будет идентично равновесию спектрального излучения, в присутствии дополнительного поля эти случаи следует различать, поскольку падающее излучение также вызывает переходы и изменяет населенность молекулярные состояния, отклоняющиеся от распределения Больцмана.

Следовательно, целесообразно более внимательно изучить соотношение населения и выяснить, как оно выглядит в некоторых особых условиях.Это адекватный способ определить, какое равновесие обнаружено в пробе газа.

Для этого мы рассматриваем общий баланс процессов поглощения и выброса, задаваемый уравнениями скорости (76). В условиях стационарного равновесия (см. (78)) она равна Используя (17), (34) и (59), мы можем записать При локальном термодинамическом равновесии и связаны друг с другом соотношением (36). Но в более общем плане мы можем заключить, что (36) верно, пока молекулы могут быть описаны максвелловским распределением скоростей и могут быть охарактеризованы средней температурой (см. Также [12]).

Таким образом, применяя (36) и вводя некоторые сокращения: после элементарной перестановки (82) принимает вид: Легко видеть, что для больших и, следовательно, высоких частот столкновений (84) приближается к распределению Больцмана. Также для (без столкновений) и (без внешнего излучения) это дает соотношение Больцмана, в то время как для и, (84) меняется на Это уравнение показывает, что в условиях верхних слоев атмосферы (небольшая частота столкновений) населенности аппроксимируются модифицированным распределением Больцмана (правая часть: для), которое с увеличением спектральной интенсивности все больше и больше определяется температурой внешний источник излучения.В таких условиях нормальное термодинамическое равновесие согласно (4) нарушается и должно быть заменено спектральным радиационным равновесием.

4. Радиационный баланс и перенос излучения в атмосфере

Более обширный анализ энергии и радиационного баланса поглощающего образца не только учитывает чистую поглощенную мощность падающего излучения, как рассмотрено в (53) — (66 ), но он также включает любое излучение, исходящее от самого образца, а также любое повторное излучение из-за внешнего возбуждения.Однако это уже было детально исследовано в разделе 3.3 с точки зрения локального баланса и его эволюции с течением времени. В этом разделе мы особенно сосредоточимся на распространении теплового излучения в инфракрасном активном газе и на том, как это излучение модифицируется из-за поглощения и повторного излучения газа.

Возможны две перспективы: баланс энергии для образца или баланс излучения для входящего и выходящего излучения. Здесь мы обсуждаем последний случай.Процессы рассеяния не учитываются.

Мы рассматриваем падающее излучение от внешнего источника со спектральной яркостью, определенной в (50). Потери при распространении в тонком слое газа подчиняются закону Ламберта-Бера. Одновременно на это излучение накладывается тепловое излучение, испускаемое самим образцом газа, и, как уже обсуждалось в разделе 2.5, этот тепловой вклад возникает из-за спонтанного излучения молекул. Для малых расстояний распространения в газе оба вклада можно суммировать и получить Последний член является следствием (19) или (45) при преобразовании спектральной плотности энергии газа в спектральную интенсивность и рассмотрении только той части, излучаемой в интервал телесных углов.Уравнение (86) представляет собой довольно общий вид радиационного баланса в тонком слое, и уместно вывести основные соотношения для переноса излучения в атмосфере при различных условиях. Дифференциал указывает на то, что имеется в виду абсолютная длина распространения в газе.

4.1. Уравнение Шварцшильда в плотных газах

В тропосфере населенность молекулярных состояний почти исключительно определяется столкновениями между молекулами даже в присутствии более сильного излучения.Тогда, благодаря предыдущему обсуждению, можно ожидать хорошо установленного локального термодинамического равновесия, и из (47) или (48) находим со спектральной яркостью газа, также известной как функция Кирхгофа-Планка и определяемая формулой (50), но здесь при температуре. Чтобы различать внешнее излучение и излучающий газ, мы используем букву (от фонового излучения), которую нельзя смешивать с коэффициентами Эйнштейна или. Тогда в качестве окончательного результата мы получим: Это уравнение известно как уравнение Шварцшильда [5–7], которое описывает распространение излучения в поглощающем газе и дополнительно учитывает тепловое фоновое излучение газа.При выводе этого уравнения не требуется никаких специальных ограничений или условий, касающихся плотности газа или столкновений между молекулами, только то, что справедливо (36) и дано термодинамическое равновесие. В общем, это так в тропосфере вплоть до стратосферы.

Другая производная. Обычно уравнение Шварцшильда выводится из чисто термодинамических соображений. Газ в небольшом объеме называется находящимся в локальном термодинамическом равновесии при температуре, когда испускаемое излучение из этого объема такое же, как у излучателя черного тела при этой температуре.Тогда строго соблюдается закон Кирхгофа, что означает, что излучение идентично поглощению образца.

Суммарное излучение в частотном интервале за время может быть. Коэффициент излучения нельзя смешивать с (83). Тогда при спектральной яркости (50) и коэффициенте поглощения это следует из закона Кирхгофа (см., Например, [8–11]) Тогда для падающего луча со спектральной яркостью, распространяющегося в -направлении, мы получаем: что совпадает с (88).

4.2. Уравнение переноса излучения для спектральной интенсивности

Обычно представляет интерес излучение и, следовательно, энергия, испускаемая во все полушарие, так что (88) необходимо интегрировать по телесному углу. Как уже обсуждалось в разделе 3.2, для этого интегрирования мы должны иметь в виду, что луч, распространяющийся под углом к ​​нормали слоя (см. Рисунок 11), только вносит вклад в спектральную интенсивность (спектральную плотность потока) из-за Закон Ламберта.То же самое предполагается и для теплового излучения, испускаемого слоем газа под этим углом.


С другой стороны, длина распространения через тонкий слой глубины увеличивается с, так что -зависимость для обоих членов и исчезает.

Следовательно, аналогично (54) и (55) интегрирование (88) по дает для спектральной интенсивности, распространяющейся в -направлении: или с определением и аналогичным: Уравнение (92) представляет собой дифференциальное уравнение 1-го порядка с общим решением: или после некоторой трансформации: Обычно плотность газа, полное давление и температура изменяются на пути распространения излучения.Следовательно, уравнение (94) должно решаться поэтапно для тонких слоев, толщина которых, и может считаться постоянной (см. Рисунок 12). С текущим индексом для разных слоев (94) можно упростить следующим образом: Интенсивность в -м слое вычисляется из предыдущей интенсивности слоя со значениями и и -го слоя. Таким образом, поэтапно рассчитывается распространение по всей атмосфере. Первый член в (95) описывает передачу падающей спектральной интенсивности по толщине слоя, а второй член представляет собой самопоглощение теплового фонового излучения в прямом направлении и идентично спонтанному излучению слоя в одну полусферу. .


4.3. Уравнение Шварцшильда в тонком газе

Уравнение (88) было получено в предположении локального термодинамического равновесия в газе, что обычно имеет место при более высоких давлениях газа и, следовательно, более высоких скоростях столкновений молекул. Однако при низких давлениях населенность молекулярных состояний также может в значительной степени определяться индуцированными переходами, вызванными падающим излучением (см. Раздел 3.4), и тогда имеет смысл рассматривать монохроматическое или спектральное радиационное равновесие, что означает, что Газ повторно испускает все поглощенное им монохроматическое излучение.

Поскольку это поглощение вызвано полным спектральным излучением, падающим в пределах телесного угла, необходимо проинтегрировать. Тогда поглощенная спектральная интенсивность на интервале находится из (51) вместе с (53). Это должно быть равно спектральной плотности мощности, испускаемой газом в виде спонтанного излучения в полный телесный угол. Таким образом, получаем Только (96) дает вклад в спектральную яркость, а (86) меняется на При, (97) принимает вид Это дифференциальное уравнение для спектральной яркости в тонких газах было выведено с учетом только поглощения и последующего излучения за счет внешнего излучения и в этом отношении ориентировано на стандартные соображения, изложенные в литературе (см.г., [12]). Однако более строгий вывод этого уравнения также должен учитывать излучение, происходящее от теплового фонового излучения молекул, если их температура и, следовательно, их кинетическая энергия не равны нулю. Это рассматривается в следующем подразделе.

Расширенное уравнение Шварцшильда в тонком газе. Мы начнем с работы (86), которая уже в самом общем виде описывает распространение излучения в условиях, когда образец не только поглощает, но и излучает на тех же частотах, что и падающее излучение.Снова требуя радиационного равновесия, общий баланс процессов поглощения и излучения дается уравнениями скорости (76), что в стационарных условиях приводит к (см. (81)) С помощью (34) и (59) находим: Некоторая перестановка (100) и умножение на дает Мы знаем, что при локальном термодинамическом равновесии член будет равен нулю в силу (36), и тривиально он также равен нулю в отсутствие каких-либо столкновений.Таким образом, можно ожидать, что в тонком газе с небольшим количеством столкновений даже в условиях радиационного равновесия этот член довольно мал, и поэтому им можно пренебречь. Общий случай, включая этот термин, будет рассмотрен в следующем абзаце. Итак, с (33) и делением (101) на, а также с использованием соотношений и, мы получаем Подставляя (102) в (86), мы получаем расширенное уравнение Шварцшильда в тонких газах:

4.4. Обобщенное уравнение Шварцшильда

Цель состоит в том, чтобы найти выражение, которое описывает перенос излучения для обоих предельных случаев, при высоких частотах столкновений в плотном газе, как указано в (88), а также при незначительных столкновениях в тонком газе, представленном по (103).Однако по аналогичным соображениям разные результаты; см., например, [12].

Начнем с (81) или с сокращений (83) из (84). Эти уравнения снова содержат баланс всех переходов вверх и вниз. Элементарное преобразование дает и некоторые дальнейшие перестановки дают (см. расширение слева) С тождеством (см. (33) и (83)) и умножая (105) на, получаем Определение относительного параметра материала и подставляя (107) и (108) в (86), получаем С сокращением где принимает значения из для, (109) можно представить в более компактном виде Это обобщенное уравнение Шварцшильда, которое справедливо как при низких, так и при высоких плотностях газа, и где переход от одного предельного случая к другому контролируется параметром, зависящим от плотности.Согласно (108) и (83) вместе с (36), может быть выражено как Следовательно, любые вариации и, следовательно, также происходят из зависящей от давления скорости передачи столкновений, которая изменяется с высотой над земной поверхностью, так что все эти параметры становятся функцией. Без каких-либо коллизий получает ноль, а значит. Тогда (111) совпадает с (103). С другой стороны, при высоких плотностях газа и высокой частоте столкновений с и (111) сходится к (88).

4.5. Обобщенное уравнение переноса излучения для спектральной интенсивности

Чтобы вывести основное уравнение переноса излучения (УПИ) для спектральной интенсивности, расширяющейся в -направлении, аналогично (91), мы должны проинтегрировать (111) по телесному углу: или с определениями и: Это обобщенный RTE для спектральной интенсивности, исходящей от планковского излучателя температуры и распространяющейся через поглощающий газовый слой температуры.

Аналогично (92) — (94) решение (114) находится в виде и пошаговое численное интегрирование может быть получено с помощью Следует напомнить, что в условиях более сильного поглощения и большей длины пути излучение, выходящее из отдельных слоев, может отклоняться от принятого закона Ламберта излучения (см. Раздел 3.2). Это может привести к слишком сильному поглощению, вызванному этими лучами, распространяющимися под большими углами к нормали слоя.Однако, поскольку эти лучи вносят лишь относительно небольшой вклад в общее поглощение, это вызывает лишь относительно небольшие отклонения.

Другой эффект может быть связан с отклонениями лучей от геометрической оптики, вызванными неоднородностями и процессами рассеяния в атмосфере. Поэтому в целом представляется разумным применить в (116) несколько меньший эффективный коэффициент поглощения. Множитель два возник из эффективной средней длины пути через слой, соответствующий среднему направлению распространения.Следовательно, предположение немного меньшего среднего угла может более реалистично приблизить условия в атмосфере.

5. Моделирование переноса излучения в атмосфере

Инфракрасные активные газы в атмосфере оказывают существенное влияние на энергетический и радиационный баланс системы Земля-атмосфера, поскольку это уже подробно обсуждалось в разделе 3.3. Они поглощают коротковолновое излучение Солнца и длинноволновое излучение Земли.Эта поглощенная энергия, а также тепловая энергия (после преобразования во внутреннюю энергию) снова равномерно переизлучаются во всех направлениях. Это излучение является источником восходящего и нисходящего излучения самой атмосферы, которое вместе с любым земным или облачным излучением определяет общее излучение, наблюдаемое в восходящем или нисходящем направлении.

Наиболее важными газами, активными в инфракрасном диапазоне, являются водяной пар, CO 2 , CH 4 и O 3 , которые имеют более сильные полосы поглощения в инфракрасном диапазоне , , распределенные в широком спектральном диапазоне от примерно 3 до 200 мкм м или от 50 до 3330 см -1 .

В частности, CO 2 считается основным виновником антропогенного глобального потепления и ответственен за повышение температуры за последние 150 лет. Поэтому стоит более внимательно посмотреть, как этот газ влияет на поглощение и радиационный баланс в атмосфере. В то же время это поучительный пример полезной применимости теоретических основ, представленных в этой статье.

5.1. Спектр поглощения и излучения CO
2

Самая сильная полоса поглощения этой молекулы расположена около 4.2 мкм м или 2350 см −1 . Но для баланса поглощения-излучения в атмосфере еще более важна в десять раз более слабая полоса поглощения на 15 мкм м (670 см −1 ), которая почти совпадает со спектральным максимумом земного излучения (см. Рис. 6), а потому в первую очередь определяет взаимодействие молекул CO 2 с излучением.

На рисунке 13 показан соответствующий спектр поглощения для 380 ppm CO 2 в сухом воздухе для различных длин распространения при давлении 1013 гПа и температуре 288 K.Красные линии представляют собой маркеры, указывающие центр и силу отдельного перехода, а синяя кривая представляет собой суперпозицию всех профилей линий и представляет степень прохождения — или, наоборот, степень поглощения — падающего излучения с этими волновыми числами. На -ветвь (центр полосы) излучение почти полностью поглощается только на длине 1 м, а с увеличением расстояния распространения даже более слабые линии — и -ветвий отражают полностью насыщенное поглощение. На расстоянии 1 км и более только дальние крылья ленточной структуры все еще показывают некоторую передачу отдыха.


С другой стороны, из разделов 3 и 4 мы знаем, что поглощающий газ с температурой, сравнимой с температурой внешнего источника излучения — здесь земная поверхность — будет действовать как собственный излучатель и заметно изменять падающее излучение. На рисунке 14 показано моделирование апвеллинга излучения, испускаемого только 3,8 ppm CO 2 в сухом воздухе (1/100 обычной концентрации) на разных высотах над землей.


Этот расчет основан на (116) и использует для вертикального профиля давления и температуры воздуха стандарт US Standard Atmosphere [17].В центре полосы излучение уже быстро достигает максимальной спектральной интенсивности 0,47 Вт / (м 2 · см -1 ), и с увеличением высоты постепенно развивается более широкое плато, которое на больших высотах снова немного уменьшается.

Это можно наблюдать более четко на Рисунке 15 для серии расчетов на высоте до 10 км с концентрацией 380 ppm CO 2 в сухом воздухе.


Широкие плато по существу отражают фактическую температуру газа на определенных высотах.Более высокие плечи кривых от 4 до 10 км указывают на то, что с уменьшением давления и, таким образом, уменьшением ширины линии крылья полосы поглощения становятся более прозрачными, а также излучение от более низких, поэтому более теплых и более интенсивно излучающих слоев может вносить свой вклад в наблюдаемые спектры.

Все расчеты переноса излучения были выполнены на программной платформе MolExplorer [18] как построчные вычисления и основаны на фактической базе данных HITRAN08 [13].Для численного интегрирования (116) использовалась толщина слоя 100 м, на которой давление, плотность и температура считались постоянными. Согласно (112), определяется соотношением. Так как до мезопаузы частота столкновений по-прежнему больше 1 с -1 , а скорость спонтанного излучения на переходах CO 2 с -1 больше 1 и, следовательно, больше. Следовательно, для этой полосы поглощения исходное уравнение Шварцшильда (88) все еще является хорошим приближением до высоты около 90 км.

5.2. Влияние водяного пара

Самое сильное влияние на излучение в атмосфере оказывает вода в ее различных агрегатных состояниях. Таким образом, более толстые кучевые облака или слои высокослоистых облаков могут полностью поглощать и переизлучать инфракрасное излучение, или кристаллы льда в тропопаузе могут вызывать рассеяние излучения. Но также значительное влияние оказывает атмосферный водяной пар, который будет рассмотрен более подробно в рамках данной статьи. Это сильное воздействие является результатом того факта, что молекулы H 2 O обладают сильными полосами поглощения и одиночными линиями поглощения, которые почти непрерывно распространяются по более широким областям инфракрасного спектра.

На рисунке 16 показано спектральное пропускание через влажный воздух в логарифмическом масштабе на высоте 10 км. Предполагается, что концентрация водяного пара у земли при 288 K составляет 1,46% в среднем по трем климатическим зонам — тропикам, средним широтам и полярным регионам. Он выводится из измерений GPS [19] и экспоненциально уменьшается с высотой из-за температурной зависимости давления пара (подробности см. В [20]).


От 10–360 см –1 и 1400–1800 см –1 атмосфера полностью непрозрачна.Только между 800 и 1100 см –1 и выше 2200 см –1 , так называемыми атмосферными окнами, он становится совершенно прозрачным для излучения с поверхности Земли.

Но в то же время молекулы воды являются сильными излучателями, излучающими при соответствующей температуре, как это показано на рисунке 17. В качестве прямого сравнения также показаны распределения Планка для различных температур. Хотя молекулы воды являются идеальными излучателями черного тела на более сильных переходах, их спектральная интенсивность значительно ниже, чем поверхностное излучение Земли.Это снова является следствием того факта, что спектральные компоненты, наблюдаемые в тропопаузе на высоте 12,5 км, происходят из слоев разной высоты и, следовательно, разной температуры. Эти слои могут характеризоваться оптической толщиной на частоте. В противном случае новый цикл поглощения-излучения мог бы произойти в пределах толщины слоя или на дальнейшей трассе до высоты наблюдения.


Итак, в спектральных областях со средним или более низким поглощением огибающая кривой излучения может быть довольно хорошо представлена ​​распределением Планка 270 K, что соответствует высоте 2.8 км, тогда как в спектральных интервалах очень высокой непрозрачности (10–400 см –1 и 1350–1800 см –1 ) распределение с 245 K и высотой 6,6 км подходит гораздо лучше.

5.3. Перенос излучения в атмосферных условиях

Хотя целью предыдущих двух подразделов было представить индивидуальные спектральные свойства двух наиболее важных инфракрасных активных газов в атмосфере и идентифицировать их взаимодействие с атмосферным излучением, в этом параграфе мы исследуем их общее влияние на восходящую и нисходящую радиацию.На рисунке 18 показано влияние обоих газов на испускаемое излучение на высоте 12,5 км.


Синяя кривая представляет собой общее излучение, испускаемое земной поверхностью и атмосферой, в то время как вклад только атмосферы показан зеленым графиком. Ниже 750 см −1 и выше 1300 см −1 обе кривые полностью идентичны и выглядят как уникальная линия. Только над центральным атмосферным окном влияние нижележащего земного излучения, показанного розовым графиком, можно определить как повышенную интенсивность, в то время как во внешних областях это излучение полностью поглощается водяным паром и CO 2 .Как и на рисунке 17, можно увидеть доминирующее влияние линий воды во всем спектральном диапазоне, но теперь оно наложено сильной полосой поглощения CO 2 около 670 см -1 . Концентрация водяного пара у земли снова была принята равной 14 615 частей на миллион .

Чтобы оценить более или менее сильное влияние увеличения концентрации CO 2 в атмосфере, как это подробно обсуждается в связи с антропогенным глобальным потеплением, на рисунке 19 сравниваются два моделирования, которые были выполнены с 380 ppm (синяя линия) и 760 ppm (красная кривая) CO 2 при средних глобальных условиях.Из-за сильно насыщенного поглощения и излучения на полосе CO 2 около 670 см -1 широкая воронка не меняет ни своей глубины, ни ширины. Только крылья и слабые полосы поглощения при 970 и 1070 см −1 , которые все сильно перекрываются интенсивными линиями воды, способствуют немного более высокому поглощению.


Вычитание интегрированных спектров дает разность интенсивностей 5,8 Вт / м 2 ; таким образом, это количество меньше переизлучается тропосферой при удвоенной концентрации CO 2 .Хотя эти расчеты проводились в условиях ясного неба, при средней облачности 50% и высоте облачности 5 км, это сокращается до примерно 4,3 Вт / м 2 . В новых квазиравновесных условиях обнаружено, что 61% этого количества усиливает обратное излучение, остальные 39% уходят в космос (см. Также [20]). Повышенное нисходящее излучение из стратосферы при более высокой концентрации CO 2 [21, 22] частично экранируется облачностью, а в радиационном балансе дополнительно компенсируется увеличенными потерями солнечного потока, который поглощается земной поверхностью (коротковолновое излучение). форсирование).Таким образом, всего около 2,6 Вт / м 2 будет способствовать радиационному воздействию и, следовательно, глобальному нагреву при удвоенной концентрации CO 2 .

Пример нисходящего излучения показан на рисунке 20. Расчеты начинаются на пересечении мезосферы и мезопаузы на высоте 86 км (TOA) и отслеживают излучение, а также поглощение до поверхности земли. Моделирование снова включает водяной пар в тропосфере с концентрацией у земли 14 615 ppm, CO 2 и CH 4 , а также смешанные газы по всей высоте с концентрациями для CO 2 380 ppm (синяя линия) и 760 ppm (красная линия), для CH 4 с 1.8 ppm и O 3 распространяются по стратосфере и тропопаузе с максимумом 7 ppm на высоте около 38 км. За исключением меньшего вклада от O 3 около 1020 см −1 , все излучение исходит из нижней тропосферы и распространяется по широким областям, идентичным источнику черного тела 288 К. Интегральное излучение в нисходящем направлении составляет 312 Вт / м. 2 , представляющий 80% источника абсолютно черного тела при этой температуре и соответствующий 61% общей интенсивности, излучаемый только атмосферой.Разница между обычной и удвоенной концентрацией CO 2 при ясном небе составляет 4,4 Вт / м 2 , а при средней облачности это количество, которое способствует дополнительному нагреву земли, такое же, как обсуждалось выше.


Расчетное радиационное воздействие 2,6 Вт / м 2 при удвоенной концентрации CO 2 на 1,1 Вт / м 2 меньше, чем у Myhre et al. [22]. В некоторой степени ожидается, что это несоответствие является результатом различных атмосфер, использованных для расчетов.Таким образом, большинство спектроскопических расчетов в литературе основано на US Standard 1976 Atmosphere . Однако соответствующая концентрация водяного пара в этой базе данных составляет только половину от концентрации, обнаруженной в средней глобальной атмосфере (AGA), а также только половину от концентрации, полученной из реальных измерений GPS [19], которые использовались в наших расчетах. Дальнейшие отклонения могут быть результатом различных концепций, например, не предполагая теплового равновесия или расчетов с разными эффективными длинами пути излучения через атмосферу.

Чтобы продемонстрировать надежность и достоверность представленных моделей, мы сравниваем наши расчеты с двумя измерениями, которые были записаны в совершенно разных условиях. На рисунке 21 (а) показано измерение уходящего инфракрасного спектра излучения безоблачной атмосферы, обнаруженного спутником на высоте 20 км, смотрящим вниз над полярным ледяным покровом [23].

Моделирование, показанное на рисунке 21 (b), было выполнено для температуры грунта 266 K, содержания водяного пара на поверхности 2100 ppm, концентрации CO 2 380 ppm (синий график) и 760 ppm (красный линия), концентрация 1 CH 4 1.8 ppm, и слегка изменяющаяся концентрация O 3 , составляющая 1–3 ppm в течение тропопаузы.

С другой стороны, на рисунке 22 (a) приведен пример падающей яркости, зарегистрированной наземной станцией в Рино в течение одного дня при сильно изменяющейся облачности [24]. На рисунке 22 (b) показаны модели, основанные на (111), но наложенные планковским распределением, которое учитывает испускаемое излучение облаков. Это излучение Планка определяется температурой облаков и, следовательно, высотой облаков, и вносит вклад в спектр с весовым коэффициентом, определяемым облачностью.

Температура грунта в течение дня варьировалась от 282 до 288 К, концентрация водяного пара принималась равной 3000 ppm, в то время как для других газов применялись стандартные условия.

Все характерные особенности измеренных спектров хорошо воспроизводятся. В основном возникают меньшие отклонения в форме воронки CO 2 , а также в форме направленного вниз излучения на 670 см −1 , а также несоответствия в полосовой структуре O 3 около 1050 см −1 из-за незнания некоторых экспериментальных параметров.Таким образом, разрешение спектрометров, а также угол приема детекторной оптики оказывают значительное влияние на форму, ширину и интенсивность измеряемых спектров. Но также неточные или отсутствующие атмосферные параметры, такие как профиль давления и температуры по длине пути во время измерений, или концентрации пара и газа, ограничивают точную воспроизводимость измеренных спектров.

Следует подчеркнуть, что измерения на рисунках 21 и 22 показывают спектральную энергетическую яркость вверх и вниз, то есть излучение, которое собирается в пределах ограниченного телесного угла.Этот угол обычно определяется оптикой приемника, которая вызывает пространственную фильтрацию и, по существу, улавливает лучи, передавая атмосферу на более коротком пути (в основном перпендикулярно поверхности земли). В отличие от этого, рисунки 19 и 20 были рассчитаны для спектральной интенсивности, которая распространяется по всей полусфере в направлении вверх или вниз и соответствует средней длине пути, примерно вдвое превышающей яркость. Следовательно, из-за более короткой эффективной длины взаимодействия, в частности, крылья спектральных полос и линий на рисунках 21 и 22 кажутся менее уширенными и насыщенными.Кроме того, при более низких температурах и более сухом воздухе водные линии менее доминируют, так что в условиях ясного неба атмосфера становится намного более прозрачной, особенно в пределах спектрального окна от 800 до 1200 см -1 .

Эти примеры ясно демонстрируют, что основные процессы взаимодействия инфракрасных молекул с тепловым излучением хорошо изучены и что представленные расчеты переноса излучения превосходно согласуются с наблюдениями даже в довольно сложных условиях атмосферы.Из этого мы также можем сделать вывод, что моделирование типа, показанного на рисунках 19–21, с различными концентрациями CO 2 в атмосфере, достаточно надежны и дают важную оценку воздействия парниковых газов на наш климат.

5.4. Поглощение земной радиации

Преобладающее влияние водяного пара на радиацию и энергетический баланс атмосферы можно также вывести из анализа спектров чистого поглощения. Итак, в условиях, которые обсуждались ранее, при среднем глобальном содержании водяного пара 1.46% у поверхности и температура 288 К, общее поглощение земного излучения, вызванное только водяным паром, уже составляет 77,7% . Вместе с метаном и озоном в атмосфере поглощение увеличивается до 80,7%. С другой стороны, только CO 2 в концентрации 380 ppm будет составлять 24,1%, но в присутствии других газов его влияние отталкивается до 4,6%, что связано с сильным спектральным перекрытием с другими компонентами. , особенно с водяным паром, а общее поглощение достигает только 85.3%.

Как уже отмечалось в разделах 3.3 и 5.1, центр полосы поглощения CO 2 около 670 см -1 быстро переходит в насыщение с увеличением длины распространения, а также с увеличением концентрации. Только крылья и более слабые полосы поглощения на 970 и 1070 см -1 все еще вносят вклад в слегка возрастающее поглощение с увеличением концентрации CO 2 . Это показано на рисунке 23, демонстрируя, что из-за спектрального перекрытия и сильного насыщения удвоение CO 2 в условиях ясного неба дает только дополнительный 1.2% от общего поглощения.


Из-за облачности этот вклад еще больше снижается до менее 1%, и от этого 39% будет повторно излучаться в космос. Таким образом, всего около 0,6%, что соответствует 2,4 Вт / м 2 от общего земного излучения (391 Вт / м 2 при 288,15 K) или 0,8% относительно общего обратного излучения 312 Вт / м 2 (см. Раздел 5.3), может способствовать дополнительному глобальному нагреву при удвоенной концентрации CO 2 .Этот результат достаточно хорошо согласуется с предыдущим расчетом радиационного воздействия и демонстрирует, почему дальнейшее увеличение концентрации CO 2 дает лишь незначительные поправки в радиационном балансе.

Основываясь на простом предположении, что из-за обратного излучения естественный парниковый эффект вызывает повышение глобальной температуры примерно на 33 K и что температура поверхности линейно реагирует на любые изменения в энергетическом или радиационном балансе, увеличение этого бюджета на менее 1% должно способствовать повышению температуры примерно на 0 ° C.3 К. Это явно противоречит требованиям IPCC , , которые выдают официальную чувствительность климата (повышение температуры при удвоении CO 2 ) из [25]. Но даже более сложное рассмотрение, основанное на модели баланса энергии для системы поверхность-атмосфера и различение трех климатических зон, включая баланс коротковолновой радиации, а также водяной пар и обратную связь по градиенту, дает чувствительность климата только 0,6 K [ 20], что все еще в 5 раз меньше, чем значение IPCC.

6. Заключение

В статье рассмотрены основные соотношения для взаимодействия излучения с инфракрасными активными молекулами и представлена ​​новая теоретическая концепция для описания переноса излучения в атмосфере. Исходя из фундаментальных соображений Эйнштейна о квантовой природе излучения, показано, что тепловое излучение газа можно хорошо понять только в терминах спонтанного излучения молекул. Детально исследовано взаимодействие с излучением внешнего источника черного тела в присутствии фонового излучения и под влиянием столкновений молекул.Энергетический и радиационный баланс в атмосфере, включая процессы теплопередачи, описываются скоростными уравнениями, которые решаются численно для типичных условий тропосферы и стратосферы. Эти модели демонстрируют непрерывный преобладающий процесс преобразования тепла в излучение и наоборот.

Рассмотрение взаимодействия излучения на молекулярной основе позволяет вывести уравнение Шварцшильда, описывающее перенос излучения в атмосфере.Это уравнение исследуется в условиях лишь небольшого количества межмолекулярных столкновений, как в верхней мезосфере, так и при высоких скоростях столкновений, наблюдаемых в тропосфере. Представлена ​​обобщенная форма уравнения переноса излучения, которая охватывает как предельные случаи тонкой, так и плотной атмосферы и допускает непрерывный переход от низкой плотности к высокой, контролируемый параметром, зависящим от плотности. Это уравнение выводится для спектральной яркости, а также для спектральной плотности потока (спектральной интенсивности).

Уравнение переноса излучения применяется для моделирования восходящей и нисходящей радиации и ее взаимодействия с наиболее заметными парниковыми газами — водяным паром, двуокисью углерода, метаном и озоном в атмосфере. Излучение в восходящем направлении — единственная возможность передать любую поглощенную энергию в космос и тем самым поддерживать баланс температуры атмосферы со всей поступающей прямой и косвенной энергией от Солнца. С другой стороны, нисходящая часть определяет обратное излучение от атмосферы к поверхности земли, которое является источником так широко обсуждаемого атмосферного парникового эффекта или атмосферного нагревающего эффекта.В то время как восходящее излучение способствует только охлаждению, пока излучение может уходить в космос, нисходящая часть вызывает нагрев только тогда, когда достигает поверхности.

Распространение радиации в атмосфере не является результатом единичного события. Он лежит в основе процессов непрерывного поглощения и переизлучения в газе, которые определяются средней длиной свободного поглощения и сильно зависят от частоты излучения, а также от плотности газа. Излучение также преобразуется в молекулярную кинетическую энергию, а через возбуждающие столкновения снова превращается в излучение.Эта кинетическая энергия молекул является результатом поглощенного длинноволнового и коротковолнового излучения, а также явного и скрытого тепла из-за конвекции и эвапотранспирации с поверхности в атмосферу.

Итак, любое распространение излучения в атмосфере можно описать аналогично процессу диффузии частиц (фотонов), которые частично аннигилируют и снова создаются при распространении в атмосфере. Это распространение в газе просто описывается уравнением переноса излучения (111) для спектральной яркости и (116) для спектральной интенсивности (спектральной плотности потока), и эти уравнения действительны независимо, если внешнее излучение или собственное излучение атмосферы в направлении вверх или вниз.

Асимметрия восходящего и нисходящего собственного излучения (только из атмосферы) будет обнаружена с более сильным вкладом в нисходящем направлении, что вызвано градиентом, а также профилем плотности над атмосферой с более высокими температурой и давлением при более низкие слои атмосферы и, следовательно, более высокая чистая нисходящая радиация. Расчеты радиационного воздействия при удвоенной концентрации CO 2 и при средней облачности дают на 30% меньшее воздействие, чем применяемое МГЭИК.

Тепловое излучение — это электромагнитное излучение, а не тепло. Таким образом, точно так же, как радиоволны могут распространяться от более холодной антенны к более теплому приемнику, микроволны могут поглощаться горячим цыпленком или лазерное излучение CO 2 (10,6 мкм м) может использоваться для сварки. и плавление металлов до нескольких тысяч ° C, поэтому любое обратное излучение от более холодных и более высоких слоев атмосферы может поглощаться нижними и более теплыми слоями, и это обратное излучение также может поглощаться более теплой поверхностью земли, не нарушая второй закон термодинамики.Поскольку предполагается, что поверхность является черным или серым поглотителем, она не фильтрует никакие частоты входящего излучения, точно так же, как не отбрасывает никакие частоты широкого планковского спектра теплового излучателя, независимо, если он имеет более высокую или более низкую температуру, чем земля. Излучение преобразуется в тепло после поглощения, за которым следует излучение в соответствии с новым регулируемым термодинамическим равновесием, которое требует только баланса чистой передачи энергии.

Этот месяц в истории физики

1 марта 1896 г .: Анри Беккерель обнаружил радиоактивность

В одном из самых известных случайных открытий в истории физики, в пасмурный день марта 1896 г. Французский физик Анри Беккерель открыл ящик и обнаружил спонтанную радиоактивность.

Анри Беккерель имел все возможности для этого захватывающего открытия, которое произошло всего через несколько месяцев после открытия рентгеновских лучей.Беккерель родился в Париже в 1852 году в семье выдающихся физиков. Следуя по стопам отца и деда, он возглавлял кафедру прикладной физики в Национальном музее естественной истории в Париже. В 1883 году Беккерель начал изучать флуоресценцию и фосфоресценцию, предметом которого был его отец Эдмон Беккерель. Как и его отец, Анри особенно интересовался ураном и его соединениями. Он также хорошо разбирался в фотографии.

В начале 1896 года научное сообщество было очаровано недавним открытием нового типа излучения.Вильгельм Конрад Рентген обнаружил, что трубки Крукса, которые он использовал для изучения катодных лучей, излучают невидимый луч нового типа, способный проникать через черную бумагу. Недавно обнаруженные рентгеновские лучи проникают также в мягкие ткани тела, и медицинское сообщество сразу же признало их полезность для визуализации.

Беккерель впервые услышал об открытии Рентгена в январе 1896 года на заседании Французской академии наук. Узнав о находке Рентгена, Беккерель начал искать связь между фосфоресценцией, которую он уже исследовал, и недавно обнаруженными рентгеновскими лучами.Беккерель думал, что фосфоресцирующие соли урана, которые он изучал, могут поглощать солнечный свет и переизлучать его в виде рентгеновских лучей.

Чтобы проверить эту идею (которая оказалась ошибочной), Беккерель обернул фотопластинки в черную бумагу, чтобы солнечный свет не достигал их. Затем он поместил кристаллы урановой соли поверх обернутых пластин и поставил всю установку на солнце. Когда он проявил пластины, он увидел очертания кристаллов. Он также помещал такие предметы, как монеты или вырезал металлические формы между кристаллами и фотопластинкой, и обнаружил, что может создавать очертания этих форм на фотопластинках.

Беккерель воспринял это как доказательство того, что его идея верна, что фосфоресцирующие соли урана поглощают солнечный свет и испускают проникающее излучение, подобное рентгеновскому. Он сообщил об этом результате на заседании Французской академии наук 24 февраля 1896 года.

В поисках дальнейшего подтверждения того, что он обнаружил, он планировал продолжить свои эксперименты. Но погода в Париже не способствовала этому; В конце февраля на следующие несколько дней стало пасмурно. Думая, что он не сможет проводить никаких исследований без яркого солнечного света, Беккерель убрал свои кристаллы урана и фотографические пластинки в ящик.

1 марта он открыл ящик и проявил пластины, ожидая увидеть очень слабое изображение. Вместо этого изображение было удивительно четким.

На следующий день, 2 марта, Беккерель сообщил в Академию наук, что соли урана испускают радиацию без какого-либо воздействия солнечного света.

Многие люди задавались вопросом, почему Беккерель вообще проявил пластины в ту облачную погоду 1 марта, если он ничего не ожидал увидеть. Возможно, им двигало простое научное любопытство.Возможно, на него давили, чтобы ему было о чем доложить на встрече на следующий день. А может, он просто был нетерпеливым.

Какой бы ни была причина его разработки пластин, Беккерель понял, что заметил кое-что значимое. Он провел дальнейшие испытания, чтобы подтвердить, что солнечный свет действительно не нужен, что соли урана испускают излучение сами по себе.

Сначала он думал, что эффект был вызван особенно длительной фосфоресценцией, но вскоре он обнаружил, что нефосфоресцирующие соединения урана проявляют такой же эффект.В мае он объявил, что элемент уран действительно является источником излучения.

Беккерель изначально полагал, что его лучи похожи на рентгеновские лучи, но его дальнейшие эксперименты показали, что в отличие от рентгеновских лучей, которые являются нейтральными, его лучи могут отклоняться электрическими или магнитными полями.

Многие в научном сообществе все еще были поглощены недавним открытием рентгеновских лучей, но в 1898 году Мария и Пьер Кюри в Париже начали изучать странные урановые лучи.Они придумали, как измерить интенсивность радиоактивности, и вскоре обнаружили другие радиоактивные элементы: полоний, торий и радий. Мария Кюри ввела термин «радиоактивность» для описания нового явления. Вскоре Эрнест Резерфорд разделил новые лучи на альфа, бета и гамма-излучение, а в 1902 году Резерфорд и Фредерик Содди объяснили радиоактивность как спонтанную трансмутацию элементов. Беккерель и Кюри разделили Нобелевскую премию 1903 года за свои работы по радиоактивности.

История открытия Беккереля — хорошо известный пример случайного открытия.Менее известен тот факт, что сорок лет назад кто-то другой сделал такое же случайное открытие. Фотограф Абель Ньепс де Сен-Виктор экспериментировал с различными химическими веществами, включая соединения урана. Как позже Беккерель, он выставил их на солнечный свет и поместил вместе с кусками фотобумаги в темный ящик. Открыв ящик, он обнаружил, что некоторые химические вещества, в том числе уран, обнажили фотобумагу. Ньепс подумал, что открыл какой-то новый вид невидимого излучения, и сообщил о своих открытиях Французской академии наук.Никто не исследовал этот эффект дальше, пока несколько десятилетий спустя Беккерель повторил, по сути, тот же эксперимент в тот серый день в марте 1896 года.

Солнечное излучение — Scientific American

СОЛНЕЧНОЕ излучение представляет собой предмет, представляющий не только научный интерес. Это источник всей энергии, которая поддерживает экономику нашей планеты. Он освещает и нагревает других членов планетной системы. Но после этого использовалась лишь бесконечно малая часть общего излучения.Остаток, насколько нам известно, тратится на непрерывное рассеивание в космос. Предмет можно рассматривать и изучать как с солнечной, так и с земной точки зрения. В земной физике можно сказать, что все зависит от энергии, которая в той или иной форме поступает от солнечных лучей. Это мировой доход, и для нас принципиально важно знать, с какой скоростью он падает, чтобы получить его. Грубо говоря, поверхность земли на одну четверть занята сушей и на три четверти — морем.Следовательно, по крайней мере три четверти поверхности, которую Земля представляет для Солнца, находится на уровне моря. Следовательно, скорость, с которой лучистое солнечное тепло достигает уровня моря, является фактом, который имеет величайшее экономическое значение установить. При рассмотрении этой проблемы мы должны ответить на два вопроса: каков наилучший экспериментальный метод определения мощности нагрева солнечных лучей в любом месте & quest; и какое место лучше всего подходит для проведения эксперимента и квестов; Возьмем последнее в первую очередь.Энергия, которую излучение передает поверхности, является наибольшей, когда оно попадает на нее перпендикулярно. В любой момент солнце стоит вертикально над той или иной точкой земной поверхности. Поэтому нашим первым шагом должен быть выбор места, где солнце проходит через зенит в полдень. Прежде чем достичь уровня моря, солнечные лучи должны пройти через всю толщу атмосферы. То, что атмосфера различается по прозрачности, является предметом повседневного наблюдения. Второе условие, следовательно, состоит в том, чтобы поставить себя в положение наибольшего преимущества в отношении атмосферных условий.Облака и подобные видимые препятствия, конечно, исключены. Воздух должен быть неподвижным, небо должно быть чистым и темно-синего цвета в регионах, удаленных от солнца, и не должно содержать ничего, что можно было бы назвать дымкой или что мешало бы определению солнца или других небесных тел. Только по осмотру мы можем лишь приблизительно установить, какие метеорологические условия являются наиболее благоприятными. По этой причине необходимо множить наблюдения и никогда не пропускать хорошую погоду.В конце концов, мы не можем не подходить все ближе и ближе к точному определению максимальной тепловой мощности Солнца на земной поверхности на уровне моря или около него, насколько позволяет степень совершенства наших инструментальных средств. Это ограничение возлагает на нас обязанность продолжать наблюдения не только до тех пор, пока не будут найдены наилучшие естественные условия, но и до тех пор, пока инструменты или экспериментальные методы, кажется, могут быть улучшены. Если на один момент мы предположим, что достигли точки, в которой дальнейшее улучшение невозможно, то результатом нашей работы будет определение скорости, с которой единица площади земной поверхности на уровне моря или около него получает тепло от вертикальное солнце в единицу времени.Здесь не возникает вопроса о том, сколько теряется на пути от солнца. Все, что требуется, и самое большее, что выясняется, — это то, сколько прибывает. Если мы умножим это на площадь, включенную в большой круг Земли, мы получим количество лучистого тепла, которое мы можем рассчитывать как поставляемое всей Земле в единицу времени. Это константа, имеющая наибольшее значение в физической географии. Когда мы выяснили, что источник лучистого тепла достигает поверхности земли, мы должны выяснить, что с ним станет.Если бы тепло аккумулировалось, мир стал бы непригодным для жизни. Не подлежит сомнению, что давно Земля в этом отношении достигла состояния равновесия, которое поддерживается очень небольшими колебаниями. Фундаментальный принцип этого состояния равновесия состоит в том, что тепло, которое вся Земля получает от Солнца в течение года, также покидает его в течение года, так что, если взять один год за другим, сумма тепла остается такой же. Когда мы изучаем детали годовой диссипации Мы обнаруживаем, что атмосфера, и особенно водяной пар в ней, играет очень важную роль.Хотя он практически прозрачен для тепловых лучей, проходящих от Солнца к Земле, он очень непрозрачен для тех, кто покидает Землю и выходит наружу. Они сильно поглощаются, и температура атмосферы значительно превышает ту, которая была бы, если бы она была такой же прозрачной для выходящих лучей, как и для входящих. Это не влияет на постоянную задержку любого годового предложения; он все еще исчезает в течение года, но не раньше, чем он произвел важные климатические эффекты.Мы видим в этом различном поведении атмосферы по отношению к входящим и выходящим лучам пример закона Кирхгофа, в силу которого тело предпочтительно поглощает лучи, которые оно испускает само. Чрезвычайно маловероятно, что какая-либо часть лучей, исходящих непосредственно от солнца, исходит от сильно нагретой воды или водяных паров; поэтому не следует ожидать, что водяной пар в атмосфере поглотит их в какой-либо заметной степени. Однако, когда они ударяются о поверхность земли, будь то суша или море, они обильно поглощаются.Голубая вода океана пропускает видимые солнечные лучи на значительную глубину. В экспериментах, проведенных писателем на борту «Челленджера», белая поверхность площадью около четырех квадратных дюймов была отчетливо видна на глубине 25 саженей. Общая длина пути падающего и отраженного луча составляла 50 саженей; поэтому солнечные лучи, падающие на море, имеют толщину не менее 100 метров для воздействия. Когда они ударяются о землю, прямое воздействие оказывается поверхностным, но поглощающая способность поверхности почвы намного больше, чем у поверхности воды, и она часто достигает очень высокой температуры.Даже в самых засушливых странах почва влажная, и, возможно, в конечном итоге поверхность каждой частицы почвы является водной поверхностью. Так или иначе, когда поверхность суши охлаждается, тепло с низкой преломляемостью, которое она излучает, в очень большой степени исходит от воды, и, соответственно, оно в больших количествах поглощается водяным паром в нижних слоях атмосферы. При отсутствии механического перемешивания ветром эти слои могут потерять его, только передав его излучением более высоким слоям, содержащим влагу, откуда она в конечном итоге уходит в космос.Эта аккумулирующая функция атмосферы обеспечивает, что, хотя каждая часть земной поверхности периодически получает тепло, она постоянно теряет его. Поскольку тепло атмосферы происходит из-за контакта с. или излучение с поверхности, оно должно быть получено из источника, который достигает поверхности земли. Кроме того, ветер и все механические атмосферные воздействия возникают из-за разницы в плотности, и они вызываются не только тепловым расширением и сопутствующим повышением температуры воздуха, но также, без изменения температуры, смесью с ним зажигалка на газ.Такой газ — это водяной пар, а вода, которая его питает, находится на уровне моря. Следовательно, солнечное тепло, которое достигает поверхности земли на уровне моря или около него, должно поддерживать не только температуру поверхности земного шара, но также поддерживать все механические проявления воздуха и океана. . Это основание для утверждения, как указано выше, что единственная константа, представляющая интерес для земной физики, — это скорость, с которой вертикальное Солнце нагревает единицу площади земной поверхности на уровне моря.Инструменты, используемые для измерения теплового эффекта солнечных лучей, должны соответствовать определенным условиям. Площадь собранного пучка или пучка лучей должна быть точно известна; и необходимо предусмотреть точное измерение теплового эффекта, производимого ими в заданное время. Произведенный тепловой эффект измеряется массой некоторого вещества и либо изменением температуры в нем, либо изменением его агрегатного состояния. Актинометры, такие как актинометры Гершеля, Пуийе, Виолле, Кровы, являются приборами первого рода.Ледяной калориметр, использованный Экснером и Рентгеном, и паровой калориметр писателя — приборы второго рода. Термическая масса вещества, подвергшегося воздействию, удобно выражать через термически эквивалентный вес воды, который называется ее водным значением. В актинометре изменение температуры измеряется либо отдельным термометром, либо сам актинометр является термометром, калориметрические константы которого определены. В приборах второго класса термометр не требуется; тепловой эффект измеряется массой водного вещества, которое меняет свое состояние в данный момент либо с льда на воду, либо с воды на пар, причем оба имеют одинаковую температуру.В ледяном калориметре степень разжижения измеряется по изменению объема, как в калориметре Бунзена; в паровом калориметре образование пара измеряется по весу или объему произведенной дистиллированной воды. Паровой калориметр был недавно описан в Nature & lpar; vol. lxiii. п. 548 & rpar ;, и повторять его здесь нет необходимости. Она вполне удовлетворительно действовала в руках писателя в Египте в мае 1882 года, и с тех пор дает хорошие результаты в руках мистера Ф.Мичи Смит в обсерватории Кодайканал в Южной Индии, на высоте около 7000 футов над уровнем моря. Теоретически ледяной калориметр ничем не хуже парового калориметра, но его применение для измерения солнечного излучения имеет практический недостаток. В момент перед экспонированием лед в калориметре промерзает до внутренней поверхности металлической пластины, внешняя поверхность которой принимает солнечные лучи. Первый эффект воздействия солнца заключается в том, что лед отделяется от пластины.Промежуточная вода вносит возмущения, которые нелегко учесть. Фундаментальный принцип актинометра аналогичен второму закону движения Ньютона; когда тело участвует в обмене теплом между собой и любым количеством других тел, каждый обмен происходит независимо от других. Скорость обмена в каждом случае зависит от разницы температур между двумя телами и происходит по принципу, согласно которому равные доли тепла теряются или приобретаются в равные промежутки времени.При охлаждении тела воздух всегда подвержен как минимум двум совершенно независимым источникам потери тепла, а именно. излучение между собой и окружающими объектами и теплопроводность между собой и окружающим воздухом. В обычных условиях скорость потери тепла излучением может незначительно изменяться, но из-за теплопроводности она подвержена постоянным изменениям из-за изменяющейся скорости, с которой воздух, фактически контактирующий с термометром, обновляется. Не следует ожидать, что тело, подверженное по крайней мере двум независимым источникам потери тепла, будет охлаждаться так же, как если бы оно подвергалось воздействию только одного, точно так же, как можно ожидать, что на тело воздействуют двое. силы будут двигаться так же, как если бы их толкал только один из них.Состав скоростей охлаждения подобен скоростям на одной прямой; Результирующая ставка — это чистая или алгебраическая сумма всех ставок. Когда актинометр подвергается воздействию солнца, его температура повышается сначала быстро, а затем медленнее, пока, если эксперимент будет достаточно продолжительным, он не станет неподвижным. Температура отмечается через равные промежутки времени. Солнце экранируется либо после того, как температура стабилизируется, либо заранее, и температура наблюдается через равные промежутки времени во время охлаждения.Когда термометр имеет температуру выше, чем его корпус, он охлаждается. Поэтому, когда он il & excl; подвергается воздействию солнечных лучей, и его температура очень мало поднимается выше температуры вольера, начинается охлаждение; и то, что наблюдается при первой операции, есть. не скорость нагрева солнечными лучами. но эта скорость уменьшается со скоростью охлаждения термометра. Следовательно, когда две серии наблюдений были сделаны и занесены в таблицу, скорость повышения температуры по сравнению с показателем термометра равна.скажем, 2 град., 4 град. или 6 град. выше корпуса. Точно так же скорость падения температуры, когда температура термометра составляет 2 градуса, 4 градуса или 6 градусов. выше, чем у корпуса во время охлаждения. Таким образом получают три пары ставок. Суммы всех трех пар скоростей должны быть одинаковыми, и каждая дает значение скорости, с которой температура актинометра повышалась бы на солнце, если бы не было охлаждения. Правило остается тем же, независимо от того, может ли температура подниматься до стационарной точки или нет.л, набитый тающим льдом, который использует Виолле, или толстый металлический корпус, который использует Крова, совершенно эффективно. тогда не нужно было бы проводить отдельный эксперимент с охлаждением в связи с каждым нагревом. Необходимость в этом обусловлена ​​тем, что. когда проникают солнечные лучи, температура воздуха в ограждении больше не равна и не может быть равной температуре закрывающей оболочки; он также не может оставаться неподвижным, как при постоянной температуре в тени. Эти возмущения.чего нельзя избежать, пока в камере есть воздух, что делает невозможным применение заранее определенной скорости охлаждения. Каждый раз необходимо определять фактическую интегральную скорость охлаждения во время конкретного эксперимента. Если актинометр будет устроен так, чтобы на скорость охлаждения не влияло попадание или исключение солнечных лучей, можно было бы без колебаний принять статический метод, и прибор стал бы ценным инструментом для непрерывных самозаписывающих наблюдений.Их стоимость будет в основном относительной. Абсолютная величина солнечного теплового излучения, когда оно достигает поверхности Земли, должна определяться другими способами. Когда оно установлено при наиболее благоприятных обстоятельствах, оно не меняется, за исключением годового цикла вращения Земли. Суточная вариация, как показывает регистрация актинометров, имела бы большое местное значение. Крова в длинной серии ценных наблюдений, которые он сделал с 1875 года в Монпелье, фактически применил этот принцип на практике.Виоль, а затем Валло сделал очень важные наблюдения в окрестностях Шамони. Анналы обсерваторий mStSorologique du Mont Blanc содержат, в т. II., несколько интересных отчетов о результатах этих наблюдений. Их делали одновременно в Шамони и на некоторых станциях Монблана. Первая серия наблюдений была проведена в 1887 г. 28, 29 и 30 июля, и использовались два «абсолютных актинометра» Виолле-Энн. Чим.Phys. & lpar; 1879 & rpar; [5], т. xvii. & rpar ;. Большим преимуществом таких экспериментов является то, что они проводятся одновременно на двух станциях, расположенных на очень разных высотах. В. чем выше из двух, среднее барометрическое давление составляет 430 миллиметров, так что 33-76 всей атмосферы находятся ниже наблюдателя, и эта часть содержит почти весь водный пар. Над ним находится чуть больше половины, и это намного более простая и чистая половина атмосферы. В нем практически отсутствует водяной пар.приобрели личное знакомство с этим слоем воздуха, которое можно получить, только посвятив несколько лет проживанию в нем и наблюдению за ним. Именно это близкое и постоянное знакомство с такой большой частью земной атмосферы придает особенно большое значение наблюдениям и выводам г-на Валло. Основные результаты наблюдений Валло заключаются в следующем: соотношение между теплом, полученным за одно и то же время одной и той же областью, расположенной перпендикулярно солнечным лучам на Монблане и в Шамони, оказалось равным 0.82 к 0,85, что хорошо согласуется с пропорцией, обнаруженной Виолле в 1875 году. Однако значение солнечной радиации было намного ниже, чем обнаруженное Виолле. Максимальные значения, наблюдаемые Валло, составили 1,56 гр. град. C. на Монблане и 1,33 гр. град. C. в Шамони, а Виоль обнаружил 2,39 гр. град. С. на Монблане и 2,02 гр. град. C. на леднике Боссон в долине. Таким образом, наблюдаемые значения Виоль снова вдвое меньше, чем у Валло. Никакого объяснения причины этого несоответствия не предлагается, но указывается, что значения, наблюдаемые Кровой в Монпелье, больше соответствуют оценкам Валло, чем Виоллю.Они интересны сами по себе и ». стоит процитировать. Они относятся к 1895 году, лето которого было очень жарким. Интенсивность солнечной радиации, наблюдаемая М. Кровой в Монпелье в 1895 году, в граммах-градусах на квадратный сантиметр в минуту. Средства. Сезон. Абсолютные максимумы. Ежемесячно. Сезонный. 1.02 1,12 1,15 1.09 1.82 28 января. Весна 1,20 1.13 1.13 1,15 1.8 Могу я: & excl ;. 1,22 1.14 1.19 1.-8 1.42 24 июля. 1,80 1,20 117 л.41 Сентябрь Р. Эту тему снова поднял Валло в 1891 году.t В Шамони 1.11 1,16 1.19 1,15 1,16 1.09 1.01 Соотношение интенсивностей. 0.M 0,87 0JM 0,82 0,77 Среднее значение отношения интенсивностей 0,84. как прежде. Значения интенсивности излучения несколько ниже, чем в 1887 г. В 1896 году профессор Ангстрем из Упсалы провел наблюдения на пике Тенериффа с помощью актинометра особой формы, зависящего от нагрева металлических пластин. Он проводил наблюдения на трех разных высотах: в Гимаре, 360 метров, в Канаде, 2125 метров, и на вершине, 3683 метра.Уменьшенная до однородной толщины в одну атмосферу, соответствующую давлению 760 мм, интенсивность излучения вертикального Солнца оказалась равной 1,39 в Гимаре, 1,51 в Канаде и 1,54 грамм-градуса на квадратный сантиметр в минуту. . Эти значения больше согласуются со значениями, найденными Валло в 1887 году, чем со значениями 1891 года. Но значения, найденные Кровой. Валло и Ангстрем одного порядка. Наблюдения автора с паровым калориметром в Египте в мае 1882 года были предприняты с целью установить максимальную скорость дистилляции вблизи уровня моря при наиболее благоприятных обстоятельствах.Это произошло в первой половине дня 18 мая, когда метеорологические условия были настолько благоприятными, насколько это было возможно. Солнце ровно светило в безоблачном небе, и воздух был неподвижен. Температура тени достигала 40,5 град. C. в течение дня. Время брали по мере перегонки порций по 5 кубических сантиметров. Самое короткое время, за которое это количество прошло, составило 3 мес. 20с. Это из расчета 1,5 куб. в минуту, и это произошло дважды в полдень, а именно в 10ч. 37м. и в 11ч. 23м.Поскольку собирающая площадь отражателя составляла 904 квадратных сантиметра, это соответствует 16,6 куб. перегоняется в минуту на квадратный метр. Если применить поправку на 20 град. зенитное расстояние становится 17,04 c.c. Испарение 17,04 грамма воды при 100 град. C. требуется 9,116 гр. град. C. тепла, так что количество тепла, фактически собираемого и используемого для производства пара, составляло 9 116 гр. град. С. на квадратный метр или 0,9116 гр. град. C. на квадратный сантиметр в минуту. Преобразование 9,116 гр. град.C .. при работе из расчета 0,425 килограмм-метр на грамм-градус, мы получаем в качестве реализованного рабочего значения 3 875 килограмм-метров в минуту или 0,87 лошадиных сил на квадратный метр. Рефектор состоит из одного зеркала, наклоненного под углом 45 градусов. к оси инструмента. Это зеркало отбрасывает все отраженные лучи нормально на поверхность осевого котла. Зеркало большего размера снаружи и зеркало меньшего размера внутри него отбрасывают свои отраженные лучи под небольшим углом к ​​нормали.Если взять все отраженные лучи вместе, их средняя нормальная составляющая составляет 94% от общего количества отраженных лучей. Поэтому правомерно увеличить вышеуказанные цифры в соотношении 94: 100, что даст 0,93 лошадиных сил или 9700 гр. град. C. на квадратный метр в минуту. Зеркала не отражают идеально; почерневшая поверхность котла также плохо впитывает воду. Допуск в 7% для этих недостатков не будет сочтенным чрезмерным, и мы имеем в круглых числах рабочую ценность вертикальных солнечных лучей на поверхности земли на уровне моря или около него как 1 лошадиная сила на квадратный метр; эквивалент этого в тепле — 10 300 гр.град. С. на квадратный метр в минуту, или 1,03 гр. град. C., принимая квадратный сантиметр за единицу площади. Г-н Мичи Смит сообщает автору, что наивысший уровень, который он наблюдал, составляет 1,754 c.c. перегоняется в минуту на высоте 7000 футов над уровнем моря. Это ровно семь шестых максимального уровня, наблюдаемого на берегах Нила. Если мы представим себе, что при наиболее благоприятных обстоятельствах радиация, определенная в Египте, может быть улучшена в этой пропорции, мы получим 1,17 лошадиных сил на квадратный метр и 1.202 гр. град. Цельсия на квадратный сантиметр в минуту как значение тепловой мощности солнца на уровне моря, что, вероятно, очень близко к истине. Сравнение этих результатов с уже приведенными. мы видим, что они согласуются с летними ценностями Кровы, определенными в Монпелье, и находятся на полпути между & lpar; 1891 & rpar; Валло. значение & искл; & искл; для Mont Blanc и Chamomx. Таким образом, мы приходим к выводу, что скорость, с которой поверхность Земли на уровне моря получает тепло от вертикального Солнца в наиболее благоприятных условиях, равна 1.2 гр. град. C. на квадратный сантиметр в минуту, или 1,17 лошадиных сил на квадратный метр. Обсуждая вопросы земной физики, было бы неразумно постулировать более обильный запас. Если приписать атмосфере коэффициент трансмиссии миссия не более двух третей, значение постоянной созара или тепловая мощность, которую солнечные лучи будут оказывать на поверхность площадью один квадратный сантиметр, подвергающуюся воздействию в течение одной минуты в точке на орбите Земли, составляет 1,8 грамма. град. C. Поскольку коэффициент пропускания, вероятно, больше двух третей, значение солнечной постоянной, вероятно, меньше 1.8. Валло, давая. Влияние на скорость поглощения, фактически наблюдаемую в воздухе, разделяющем его две станции, составляет 1,7 гр. град. C. как наиболее вероятное значение. Эти ценности в значительной степени согласуются с более старыми, такими как ценности Гершеля и Пуийе; но в настоящее время есть ощущение, что этим результатам не следует придавать особого значения, и более высокие цифры кажутся более приемлемыми. В недавней работе «Strahlung und Temneratv’l del ‘Sonne», стр. 38, Дж. Шайнер резюмирует обсуждение этого вопроса, давая 4 как наиболее вероятное значение солнечной постоянной.Как мы видели, тепло, достигающее уровня моря, должно поддерживать температуру земли и моря; он также должен обеспечивать энергией все виды океана; он должен согревать и расширять воздух и обеспечивать скрытое тепло, представленное водяным паром в атмосфере, и он в основном является причиной «находок и штормов». Все это выдерживается менее 1,5 гр. град. C. на квадратный сантиметр в минуту. Но когда приведенный выше каталог функций был повторен, уже нечего было объяснять.Если солнечные лучи входят в верхнюю часть атмосферы с интенсивностью 4 и выходят в нижней ее части с интенсивностью только 1,5, как следует учитывать потери & quest; Он представляет собой почти вдвое большую энергию, которая достигает уровня моря, и производит такие далеко идущие эффекты. Если он действительно вошел в атмосферу, он все еще должен быть там в виде тепла или его эквивалента. Но мы знаем, что воздух от этого не становится заметно теплее, и мы не видим никаких механических проявлений, которые можно было бы каким-либо образом выдвинуть как эквивалент.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.