放射 (電磁波によるエネルギー伝達)

エネルギーの伝達の形態 (仕事を除いて、「熱の伝達」ともいう)

• 仕事
• 熱伝導
• 対流(移流)...物質(質量)の移動にともなうエネルギーの移動
• 放射...電磁波にともなうエネルギーの移動

[注]

• ここでいう「放射」は、「放射能」に関連する「放射」(電離放射線)とは違う意味である。 (γ線の部分は重なるが。)
• ここでいう「放射」と「輻射」(ふくしゃ)は同じ意味。気象学では「放射」がふつうになっている。
• ここでいう「対流」は熱伝達論(伝熱工学)の用語で、 気象学でいう「対流」に限らず、流体のあらゆる運動に伴うエネルギーの移動をさす。

電磁波の波長と振動数(周波数)の関係、分類

参考: 「理科年表」(丸善)物理・化学部、「理化学事典」(岩波)

赤は黒体放射のピーク波長の温度。

あらゆる物体は、その温度に応じた放射(熱放射)を出している。 理想的な物体として「黒体」を考えることができる。 現実の物体からの熱放射は、黒体放射に(波長によって異なる)「射出率」をかけたものである。 射出率は0と1の間の値をとる。 波長ごとの射出率は、その物体による同じ波長の電磁波の吸収率に等しい。

波長をλ[ラムダ]、振動数をν[ニュー]、光速を c とすれば、 λ ν = c 。

真空中の光の速さは定数。正確な値は『理科年表』『新・単位がわかると物理がわかる』など参照。 概算値を覚えるための表現「1秒間に地球を7回半まわる」(実際にまわるわけではない。)

空気中の光の速さは、温度や水蒸気量などによっていくらか変わる。 (そのことが水蒸気量の観測に使われることもある。) しかし、概算では定数とみなしてよい。

(常識ではわかりにくいが) 電磁波は波であるだけでなく、粒子(光子)でもある。

エネルギーが、h ν (hはPlanck [プランク]の定数、νは振動数)のかたまりで動く。

このことは、電磁波を受けた物体について起こることの違いをもたらしている。 たとえば (おおざっぱな認識にもとづくので、表現が正確でないかもしれないが)

• γ線はDNA分子を損傷する。
• 紫外線は酸素分子O₂を解離させて O + O にすることがある。
• 可視光線は植物の葉緑体の電子伝達を起こさせる。
• 赤外線は水分子に振動を起こさせる。

「黒体放射」のエネルギースペクトル(波長別エネルギー分布)

黒体放射: その温度の物体と熱平衡にある電磁波(その条件から波長が決まる)。

エネルギースペクトル(波長別エネルギー分布)

• エネルギースペクトルの極大となる波長は(絶対)温度に反比例(Wienの法則)。
• 波長に分けないエネルギー量は(絶対)温度の4乗に比例(Stefan-Boltzmannの法則)
  黒体放射の放射輝度 = σ_B T⁴。σ_BはStefan-Boltzmann定数(物理定数)。

【「放射輝度」と「エネルギーフラックス密度」はどちらも単位面積・単位時間あたりの エネルギーの流れであり単位は同じだが、概念は違う。ここでは説明しきれない。 放射を射出する面が無限に広がる平面とみなせてそれに垂直な方向のエネルギーの流れを 考えるときは両者は同じになる。】

表示した数値は、黒体放射の波長あたりの放射輝度(次の式)の、SI単位での値である。

B_λ(λ) = 2 h c² /( λ⁵ exp(h c /(λ k T)) - 1 )

λ:波長、T:温度、c:光速、h:Planck定数、k:Boltzmann定数

ただし、このグラフの両軸は対数目盛り(軸につけた数字は10の指数)なので、 放射のエネルギーの波長に対する分配を表示した図ではない。

「黒体放射」のエネルギースペクトル、太陽、地球(平均)、宇宙空間

数量はひとつ前の図と同様。このグラフの両軸は対数目盛りなので、 放射のエネルギーの波長に対する分配を表示した図ではない。

オレンジ色の破線は、太陽の光球面から出る放射が5800 Kの黒体放射だと仮定し、 また、放射が等方的に広がるだけで途中の吸収などはないと仮定して求めた、 太陽・地球間の平均距離での太陽に正面を向けた面の放射照度の、波長に対する分布。

「黒体放射」のエネルギースペクトルと、「ひまわり」の赤外波長帯

図には気象衛星「ひまわり」4号までの「赤外」チャネルの波長を示した。 「ひまわり」5-7号では、この波長帯が2分割されており、 また赤外波長域のうちの他の部分を観測するチャネルもある。 8号ではさらにチャネル数がふえている。

このグラフの軸は(上の2つの図とは違って)縦横とも対数ではなく物理量そのものなので、 放射のエネルギーの波長に対する分配を表示した図と見ることができる。