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2.2.2 Die Wellenlänge maximaler Strahlung und das Rayleigh-Jeans-Gesetz

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Aus dem Planckschen Gesetz lässt sich die Wellenlänge mit maximaler Emission ableiten. Es ergibt sich der einfache Zusammenhang, dass das Produkt von dieser Wellenlänge und der Temperatur konstant ist, die Wellenlänge maximaler Emission also umgekehrt proportional zur Temperatur ist.


Hierbei wird die Wellenlänge in Meter und die Temperatur absolut in Kelvin angegeben.

Es gilt also, dass sich das Maximum der Strahlung mit abnehmender Temperatur zu längeren Wellenlängen verschiebt oder umgekehrt mit steigender Temperatur zu kürzeren Wellenlängen, wie in Abbildung 2.10 als schräge rote Linie eingetragen. Da dieses Gesetz schon vor Planck von Wilhelm Wien gefunden wurde, heißt es „Wiensches Verschiebungsgesetz“.

Als anschauliches Beispiel für diese Tatsache wurde schon das Erhitzen von Eisen angeführt. Im kalten Zustand sendet es keine vom menschlichen Organismus wahrzunehmende Strahlung aus. Aber mit zunehmender Temperatur verschiebt sich das Maximum der Strahlung zu immer kürzeren Wellenlängen bis in den sichtbaren Bereich. Für solare Strahlung liegt das Maximum bei 0,5 μm, also in einem Bereich, wo das menschliche Auge besonders empfindlich ist. Für die Erdoberfläche, mit einer Temperatur von 15 °C oder 288 K, ergibt sich das Strahlungsmaximum bei rund 10 μm.

Ein weiteres schon vor Planck bekanntes Gesetz ist der lineare Zusammenhang zwischen der Temperatur des Strahlers und der spektralen Strahlung bei großen Wellenlängen. Es wurde von John William Strutt, dem späteren Lord Rayleigh, zusammen mit J. H. Jeans entdeckt und heißt dementsprechend „Rayleigh-Jeans-Strahlungsgesetz“. Dieser lineare Zusammenhang ist aber natürlich auch durch das Plancksche Gesetz abgedeckt und lässt sich aus diesem ableiten, indem für exp(x) = 1 + x gesetzt wird, was für sehr kleine x und damit für große Wellenlängen gilt.


Bei vorgegebener Wellenlänge ist unter diesen Bedingungen die Strahlungsflussdichte und damit auch jede zu messende Strahldichte direkt proportional zu der Temperatur des Strahlers. Für die Satellitenmeteorologie ist das Gesetz von praktischer Bedeutung, da es bei Mikrowellen und irdischen Temperaturen das Plancksche Gesetz mit einem Fehler von kleiner als 1 ‰ wiedergibt. Bei der Fernerkundung mit Mikrowellen wird das gemessene Signal deshalb üblicherweise gar nicht als Strahldichte, sondern gleich als Temperatur angegeben, der „Strahlungstemperatur“. Eine andere Bezeichnung ist „Helligkeitstemperatur“ (Brightness Temperature).

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