Lämpösäteily

Lämpösäteily on sähkö­magneettista säteilyä, jonka saa aikaan aineessa olevien varattujen hiukkasten lämpöliike. Kaikki aine, jonka lämpötila poikkeaa absoluuttisesta nolla­pisteestä, lähettää lämpö­säteilyä. Kun kappaleen lämpötila on korkeampi kuin absoluuttinen nollapiste, atomien välisisissä törmäyksissä atomien tai molekyylien liike-energia muuttuu. Tämä saa aikaan varausten kiihtyvää liikettä ja/tai dipolien värähtelyjä, joiden tuloksena syntyy sähkö­magneettista säteilyä, ja säteilyn laaja spektri kuvastaa sitä laajaa energian ja kiihtyvyyksien jakaumaa, joka samassakin lämpötilassa esiintyy.
Huoneenlämpötilassa olevien kappaleiden lämpö­säteily on näkymätöntä infrapunasäteilyä, mutta yli 500 °:n lämpötilassa osa siitä on näkyvää valoa, vielä korkeammassa lämpötilassa jopa ultraviolettisäteilyä. Esimerkiksi hehkulamppujen ja tulenliekkien lähettämästä lämpö­säteilystä merkittävä osa on näkyvää valoa. Sen sijaan infra­puna­säteily on näkymätöntä, mutta se voidaan havaita infrapunakameralla. 
Lämpö­säteily on konvektion ja johtumisen ohella lämmön kolmas siirtymistapa. Esimerkiksi lähellä suurta nuotiota oleva henkilö tuntee tulen­liekeistä lähtevän säteilyn lämmittävän vaikutuksen, vaikka ympäröivä ilma olisi hyvinkin kylmää.
Auringon valo on Auringon kuuman plasman lähettämää lämpö­säteilyä. Myös Maa lähettää lämpö­säteilyä, mutta paljon pienemmällä intensiteetillä ja spektri­jakaumalla; niinpä Maan säteily on käytännöllisesti katsoen kokonaan infrapuna­säteilyä, koska Maan lämpötila on alempi. Auringon säteilyn absorboituminen ja Maan avaruuteen lähettämä lämpö­säteily ovat keskeisimmät prosessit, jotka määräävät Maan lämpötilan ja ilmaston.
Jos säteilevä kappale täyttää mustan kappaleen määritelmän mukaiset ehdot termo­dynaamisessa tasa­painossa, sen lähettämää säteilyä sanotaan mustan kappaleen säteilyksi. Planckin laki kuvaa mustan kappaleen säteilyn spektriä, joka riippuu vain kohteen lämpötilasta. Wienin siirtymälaki osoittaa säteilyn aallonpituusjakauman huippukohdan, ja Stefanin–Boltzmannin laki säteilyn intensiteetin.

Yleiskuvaus

Lämpö­säteily on sähkö­magneettisia aaltoja, joita kaikki aine lähettää, kun sen lämpötila on absoluuttista nollapistettä korkeampi. Sen syntyessä lämpöenergia muuttuu sähkömagneettiseksi energiaksi. Lämpöenergia on aineen atomien ja molekyylien sattumanvaraiseen liikkeeseen liittyvää liike-energia. Kaikki aine koostuu hiukkaisista, joilla on liike-energiaa, ja ne vuorovaikuttavat keskenään. Atomeissa ja molekyyleissä on varauksellisia hiukkasia, protoneja ja elektroneja, ja hiukkasten kineettiset vuoro­vaikutukset johtavat varausten kiihtyviin liikkeisiin ja dipolivärähtelyihin. Se vuorostaan saa aikaan toisiinsa kytkeytyviä sähkö- ja magneetti­kenttiä, joiden tuloksena syntyy fotoneja, joista kappaleen pinnalta säteilevä energia koostuu. Sähkömagneettinen säteily, esimerkiksi valo, ei edellytä väli­aineen läsnäoloa edetäkseen, vaan se etenee avaruuden tyhjiössäkin kuinka kauas tahansa, ellei tiellä ole esteitä.
Lämpö­säteilyn ominaisuudet riippuvat monista sitä lähettävän pinnan ominaisuuksista kuten sen lämpötilasta, sen absorptiokyvystä ja spektraalisesta emissiokyvystä kuten Kirchhoffin lämpö­säteilylaki osoittaa. Säteily ei ole monokromaattista, toisin sanoen sillä ei kauttaaltaan ole sama taajuus, vaan siinä eri fotoneilla on eri suuri energia, ja niiden energia- ja taajuus­jakauma muodostaa säteilyä luonnehtivan spektrin. Jos säteilevä kappale ja sen pinta ovat termo­dynaamisessa tasa­painossa ja pinnan absorptiokyky on täydellinen kaikilla aallon­pituuksilla, sitä sanotaan mustaksi kappaleeksi. Musta kappale on myös täydellinen säteilyn lähettäjä eli emittoija. Sellaisten täydellisten lähettäjien säteilyä sanotaan mustan kappaleen säteilyksi. Kappaleen lähettämän säteilymäärän suhdetta samassa lämpötilassa olevan mustan kappaleen säteilymäärään sanotaan kappaleen emissiivi­syydeksi, ja näin ollen mustan kappaleen emissiivisyys on 1.
Kaikkien kappaleiden absorptio-, emissio- ja heijastuskyky riippuvat säteilyn aallon­pituudesta. Kappaleen lähettämän sähkö­magneettisen säteilyn aallon­pituus­jakauma taas riippuu sen lämpötilasta. Esimerkiksi tuore lumi, joka heijastaa hyvin näkyvää valoa (heijastavuus noin 0,90), nähdään valkoisena siitä heijastuvan auringonvalon vaikutuksesta, jonka aallon­pituus­jakauman huippu on noin 0,5 mikrometrin kohdalla. Kun sen lämpötila on –5 °C, sen oman lämpö­säteilyn aallon­pituus­jakauman huippu on 12 mikrometrin kohdalla, ja tällä aallon­pituudella lumen emissiivisyys on noin 0,99.
Mustan kappaleen lähettämän säteilyn tehon taajuus­jakaumaa kuvaa Planckin laki. Kussakin lämpötilassa on tietty taajuus fₘₐₓ, jonka kohdalla säteilyteho on suurimmillaan. Wienin siirtymälain mukaan tämä taajuus, jonka kohdalla jakauman huippu on, on suoraan verrannollinen kappaleen absoluuttiseen lämpötilaan T. Auringon fotosfäärin, jonka lämpötila on noin 6 000 K, lähettämästä säteilystä suurin osa on näkyvän valon taajuusalueella. Maan ilmakehä päästää lävitseen suuren osan näkyvästä valosta, ja Maan pinnalle saapuvasta valosta osa absorboituu, osa heijastuu. Maan pinta vuorostaan lähettää lämpö­säteilyä  ja käyttäytyy kutakuinkin sellaisen mustan kappaleen tavoin, jonka lämpötila on 300 K, jota sitäkin vastaa tietty taajuusjakauman huippukohta. Näillä pienemmillä taajuuksilla ilmakehä läpäisee säteilyä huonommin, ja suurin osa Maan lähettämästä säteilystä absorboituu ilmakehään tai siroaa siinä. Vain pieni osa säteilystä pääsee ilmakehän läpi avaruuteen saakka. Tämä ilmakehän läpäisykyvyn riippuvuus säteilyn taajuudesta saa aikaan kasvihuoneilmiön. Jos ilmakehän koostumus pysyy muuttumattomana, tämä ilmiö osaltaan pitää ilmaston vakaana, mutta jos kasvihuonekaasujen pitoisuudet muuttuvat, seurauksena voi olla ilmastonmuutos: niiden pitoisuuden kasvaessa (kuten nykyisin on tapahtumassa) ilmasto voi lämmetä maailmanlaajuisesti.
Hehkulampun säteilyn spektri on osittain päällekkäinen sekä Auringon että Maan säteilyspektrin kanssa. Osa volframilangan lähettämistä fotoneista vastaa mustan kappaleen 3 000 kelvinin lämpötilassa lähettämää säteilyä, ja ne ovat näkyvää valoa. Suurin osa energiasta poistuu lampusta kuitenkin fotoneina, joiden aallonpituus on suurempi; ne eivät mahdollista näkemistä, mutta lämmittävät lampun ympärillä olevaa tilaa. Aina kun sähkömagneettinen säteily ensin emittoituu ja sitten absorboituu, lämpöä siirtyy. Tähän perustuvat myös esimerkiksi mikroaaltouunit ja laserleikkaus. 
Toisin kuin lämmön johtumisessa ja kuljettumisessa (konvektiossa), lämpö­säteilyssä siirtyvä lämpö voidaan linssien tai peilien avulla keskittää pienelle alueelle. Tähän perustuukin keskitetty aurinkovoima. Periaatteessa tähän käy mikä tahansa kupera linssi, mutta vain Fresnelin linssi on käytännöllinen, kun linssin on oltava hyvin suuri. Sekä linssien että koverien peilien avulla vesi voidaan saada höyrystymään auringon valossa hyvinkin nopeasti. Esimerkiksi PS10-aurinkovoimalaa kuumennetaan peileistä heijastuvalla auringon valolla, ja päiväsaikaan se voi kuumentaa veden jopa 285 °C:n lämpötilaan.

Läheinen ja kaukainen kenttä

Planckin laki kuvaa lämpö­säteilyn yleisiä ominaisuuksia vain, kun kaikkien kappaleiden läpimitta ja pintojen kaarevuussäde on paljon suurempi kuin säteilyn aallonpituus, joka 300 kelvinin lämpötiloissa on tyypillisesti 8–25 mikrometriä. Itse asiassa edellä onkin lämpö­säteilystä puhuttaessa oettu huomioon vain säteilevät aallot, toisin sanoen kaukainen kenttä eli sähkömagneettiset aallot. Pienemmillä etäisyyksillä on sovellettava tarkempaa sähkömagnetismin teoriaa.  Niinpä vaikka lämpö­säteily yleensä on täysin inkoherenttia, kun etäisyys säteilevästä pinnasta on säteilyn aallonpituutta suurempi, hyvin lähellä pintaa se voi olla sekä ajallisesti että paikallisesti jokseenkin koherenttia.
Viime vuosikymmeninä on sekä teoreettisesti että kokeellisesti osoitettu, että Planckin säteilylaki ei päde lämmön siirtyessä säteilyn välityksellä kohteesta toiseen, kun niiden välinen etäisyys on nanometrien suuruusluokkaa. Poikkeama Planckin lain mukaisesta ennusteesta voi olla jopa useita suuruusluokkia, jos säteilyä lähettävällä ja vastaanottavalla pinnalla on polarisaatiotiloja, jotka voivat kytkeytyä kylmien ja kuumien esineiden väliseen tilaan. 
Lämpö­säteilyn spektri poikkeaa Planckin lain mukaisesta myös suurilla etäisyyksillä, jos sitä lähettävä kappale itsessään on hyvin pienikokoinen.