電磁波(放射)

振動と波動

振動 (oscillation) ... 何かの量が、(ほぼ)一定の時間間隔でくりかえす形の変化をする。

• 周期 (period) ... 往復して同じ状態にもどってくるまでの時間。SI単位は 秒(s)。
• 振動数、周波数 (frequency) ... 周期の逆数。SI単位は 1/s、Hz(ヘルツ)。
• 英語の period や frequency は 振動・波動以外の文脈では ちがう意味 (時期、頻度)になることに注意。

波動、波 (wave) ... 振動が空間をつたわっていく。(物体が動いていくわけではない。)

• 波長 (wavelength) ... 波の (たとえば) 山からつぎの山までの長さ。 SI単位は m 。
• 【この授業の範囲では使わないが】 波数 (wavenumber) ... 波長の逆数。 SI単位は 1/m 。
• 波の 速さ (speed) = 波長 / 周期 = 波長 × 振動数 。 SI単位は m/s 。
  • 「速度」(velocity)は3次元ベクトル、「速さ」はそのベクトルの大きさ(絶対値)、と 使いわけるのが原則。
• 「縦波」と「横波」 ( [(*) 図表 2章 68ページ [1 A]「地震波の種類とその特徴」の「P波」と「S波」]を参照)
  • 縦波: 波の進行方向と同じ方向に振動にともなう変位がおこる。
  • 横波: 波の進行方向と直交する方向に振動にともなう変位がおこる。

電磁波の波長と振動数(周波数)の関係、分類

参考: [(*) 図表 4章 177ページ 右下[参考] 「電磁波の波長」]; 『理科年表 2021』 物89ページ「電磁波の波長と振動数」。

赤は黒体放射 (あとでのべる)のピーク波長の温度。

電磁波

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』の物理・化学の部の「単位」のところのメートルの定義を参照。 図表 付表 216ページ [2]「諸定数」にもある。 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。

真空中では光は直進する。 しかし、質量があると重力によって空間がゆがむ (一般相対論)。 とくに質量が集中したところのまわりでは、光が出ていかない「ブラックホール」ができる。

電磁波は、電場の変化と磁場の変化が組み合わさって伝わる波である。 電場の変化のむき、磁場の変化のむきは、波の進行方向に垂直で、しかも相互に垂直である。 「縦波」「横波」という用語を使えば、電磁波は横波である。 進行方向を決めても、電場あるいは磁場の振動方向は2次元の面内でさまざまである。 振動方向が選択された電磁波を「偏光」あるいは「偏波」という。

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 プランク (Planck) 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 (わたしの専門でないことについての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。

可視光は、波長 約 0.4 ～ 0.8 μm (400 ～ 800 nm)の範囲。 赤のほうが、青・紫よりも、波長が長い (振動数が小さい)。

• (余談) [光のスペクトルと音階、いろおんぷ(色音符)] (2019-10-02)

放射・輻射 (radiation)

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...力をあたえて物体の位置をうごかすことによるエネルギーの移動
• 熱伝導...接触した物体のあいだで高温側から低温側へのエネルギーの移動
• 対流...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線はどちらにもふくまれるが。)
• 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。 【「輻」とは、車輪の構造をつくる部品で、車輪の中心から放射状にのびる棒のようなものである。 訓読みは「や」だそうだが、日本語で「や」と言っても通じず、英語 spoke からの「スポーク」のほうがなんとか通じるだろう。 [「輻」の例]。 すでに使ってしまったようにこのような形を「放射状」というので、「輻射」と「放射」を同じ意味に使うことはさしつかえないだろう。】
• (用語補足) [(気象用語としての) 放射(radiation)、正味放射(net radiation)] (2012-07-05)
• ここでいう「対流」は熱伝達論(伝熱工学)の用語で、流体のあらゆる運動に伴うエネルギーの移動をさす。 気象学用語では(大規模な運動については)「移流」または(小規模な運動については)「乱流輸送」がだいたいこれにあたる。 (気象学での「対流」はもっと限定された意味をもつ。)
• (用語補足) [(気象用語としての) 対流] (2012-05-28)

エネルギーの伝達に関する物理量とSI単位

• エネルギーのSI単位: J (ジュール) = N m = kg m² s^-2 (仕事の単位としてくみたてられた)
• 単位時間あたりのエネルギーの流れのSI単位: W (ワット) = J/s
• 単位時間・単位面積あたりのエネルギーの流れのSI単位: W/m² (ワット毎平方メートル)

エネルギー と エネルギー保存の法則 についての説明はとばした。[「地学」の授業用の「基本的な物理法則 (2) エネルギー保存」のページ]で説明している。

「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)

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。

電磁波のスペクトル: さまざまな波長の電磁波が混合されたものを、波長別にわけて見ること。 たとえば、光を、屈折率が波長によってちがう物質のプリズムをとおすと、行き先の場所がわかれる。

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 (ヴィーン (Wien) の法則)。
  • [(*) 図表 1章 39ページ [5]「恒星の色」のところのグラフ] で説明。
• 波長に分けないエネルギー量は(絶対)温度の4乗に比例 (シュテファン (Stefan) - ボルツマン (Boltzmann) の法則)
  • 黒体放射の放射輝度 = σ_B T⁴。
  • σ_Bは シュテファン - ボルツマン定数 (とよばれる物理定数)。【「σ」はギリシャ文字のシグマの小文字。 σは標準偏差などいろいろな意味につかわれるので、ここでは区別のため B をつけておく。】
  • [(*) 図表 1章 38ページ [3]「明るさと諸量」のうち「明るさと表面温度」] で説明。

【「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である。概念の違いはあるが、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。 【この式を暗記しようなどとは考えないでください。】

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。 軸につけた数字は、 横軸は m 、縦軸は (W/m²)/m を単位としてあらわした数値を 10のベキで表現したときの10の指数をしめした (数値自体を書くと指数が小さい字になって見わけにくいので)。

「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。 【縦軸に表示された量は上に式で示した B(λ)であり、 縦軸の単位は 10⁶ (W/m²)/m である。】