קרינה תרמית

קרינת חום היא קרינה אלקטרומגנטית הנפלטת מגוף כתוצאה מהתנועה התרמית של החלקיקים הטעונים המרכיבים אותו. תנועה זו נובעת מכך שבגוף הנמצא בטמפרטורה שמעל האפס המוחלט, החלקיקים שמרכיבים אותו נעים באופן אקראי. מאחר שכל מטען הנמצא בתאוצה פולט קרינה אלקטרומגנטית, כל גוף פולט קרינת חום.
דוגמאות לקרינה תרמית כוללים את האור הנראה ואור אינפרא אדום הנפלטים מנורת להט, קרינת תת-אדומה הנפלטת מבעלי חיים שניתן לגלות בעזרת מצלמת תרמית וקרינת המיקרוגל של הרקע הקוסמית. קרינה תרמית שונה מהסעת חום והולכת חום - אדם ליד מדורה ירגיש חום מוקרן מהאש, גם במצב שבו הסביבה קרה.
אור שמש הוא חלק מהקרינה התרמית שנפלטת מהפלזמה של השמש. כדור הארץ גם פולט קרינה תרמית, אולם בעוצמה נמוכה בהרבה ובעלת התפלגות ספקטרלית שונה (יותר אינפרא אדום מאשר נראה) כיוון שהוא קר יותר. בליעת כדור הארץ של הקרינה הסולרית, בשילוב הפליטה התרמית העצמית שלו, הם שני גורמים חשובים בקביעת הטמפרטורה והאקלים על גבי כדור הארץ ברוב המודלים האקלימים.
כאשר לאובייקט תכונות פיזיקליות המאפיינות גוף שחור בשיווי משקל תרמודינמי, הקרינה נקראת קרינת גוף שחור. נוסחת פלאנק מתארת את ספקטרום הקרינה של גוף שחור, שתלוי בטמפרטורה בלבד. חוק ההסחה של ווין קובע את התדר בו תהיה הפליטה המקסימלית וחוק סטפן-בולצמן קובע את עוצמת הקרינה הכוללת.

רקע כללי

קרינה תרמית, הידועה גם כחום, היא פליטה של גלים אלקטרומגנטיים מכל חומר בעל טמפרטורה הגבוהה מהאפס המוחלט. היא מתארת את מעבר האנרגיה התרמית לאנרגיה אלקטרומגנטית. אנרגיה תרמית מכילה את האנרגיה הקינטית מתנועות אקראיות של אטומים ומולקולות בחומר. בהגדרה, כל חומר בעל טמפרטורה מורכב מחלקיקים בעלי אנרגיה קינטית, שיוצרים אינטראקציה אחד עם השני. אטומים ומולקולות אלו מורכבים מחלקיקים טעונים, כגון פרוטונים ואלקטרונים, ואינטראקציה זו של חלקיקים גורמת להאצת מטענים. זה גורם ליצירת שדות חשמליים ומגנטיים, הפולטים פוטונים, אנרגיה קרינתית מהחומר כלפי השפה שלו. קרינה אלקטרומגנטית, כולל האור הנראה, אינם דורשים נוכחות של חומר כדי להתפשט ונעים בריק עד אינסוף אילולא היו נחסמים.
התכונות של קרינת תרמית תלויים במגוון מאפיינים של המשטח ממנו הם נפלטים, כגון הטמפרטורה שלו, הבליעה הספקטרלית ועוצמת הפליטה הספקטרלית כפי שמתוארת על ידי חוקי קירכהוף התרמיים. הקרינה איננה מונוכרומטית, כלומר אינם מכילה אורך גל בודד, אלא מורכבת מרצף של פוטונים באנרגיות שונות, שמגדירות את הספקטרום. אם הגוף הקורן ומהשטח שלו נמצאים בשיווי משקל תרמודינמי והמשטח בולע מושלם בכל אורכי הגל, הוא מאופיין כגוף שחור. גוף שחור הוא גם פולט מושלם. הקרינה של פולטים מושלמים נקראת קרינת גוף שחור. היחס בין הפליטה של גוף לפליטה של גוף שחור היא האמסיביות, כך שלגוף שחור ישנה אמסיביות של אחד.
בליעה, החזרה ואמסיביות של גוף תלויים באורך הגל של הקרינה. הבליעה והאמסיביות עבור כל אורך גל יהיו שווים - בולע טוב הוא בהכרח גם פולט טוב, ובולע נמוך פולט נמוך. הטמפרטורה קובעת את התפלגות אורכי הגל של הקרינה האלקטרומגנטית. לדוגמה, הצבע הלבן באיור מחזיר גבוה בתחום הנראה (רפלקטביות של בערך 0.8) ולכן נראה לבן לעין האנושית בגלל החזרת השמש, שלה יש פיק באורך גל של בערך 0.5 מיקרומטר. אולם, האמסיביות בטמפרטורה של 5- מעלות צלזיוס, היא 0.95 באורך גל של 12 מיקרומטר ולכן לקרינה תרמית היא תראה שחורה.
התפלגות העוצמה שגוף שחור פולט משתנה עם אורך הגל לפי חוק פלנק. עבור כל טמפרטורה, ישנו אורך גל שבו עוצמת הקרינה מקסימלית. חוק ההסחה של ווין, קובע שאורך הגל יהיה ביחס הפוך לטמפרטורה המוחלטת של גוף שחור. הפוטוספירה של השמש, בטמפרטורה מקורבת של כ-6000 מעלות קלוין, פולטת קרינה בעיקר התחום הנראה של הספקטרום האלקטרומגנטי. אטמוספירת כדור הארץ שקופה חלקית לאור הנראה, והאור שמגיע אליה נבלע או מוחזר. פני כדור הארץ פולטים את הקרינה הנבלעת, בדומה לגוף שחור בטמפרטורה של כ-300 מעלות קלווין עם פליטה מקסימלית באורך גל של כ10 מיקרומטר. באורכי גל אלו, האטמוספירה אטומה יחסית והקרינה מפני כדור הארץ נבלעת או מפוזרת באטמוספירה. למרות שחלק מהקרינה בורח לחלל, רוב הקרינה נבלעת ונפלטת מחדש על ידי גזי האטמוספירה. התנהגות ספקטרלית זו של האטמוספירה היא האחראית לאפקט החממה, התורמת להתחממות הגלובלית ולשינויים האקלמיים (אולם, היא גם תורמת ליציבות האקלים כאשר הרכב ומאפייני האטמוספירה נשארים קבועים).
לנורת הלהט יש ספקטרום החופף לספקטרום של גוף שחור של השמש וכדור הארץ. חלק מהפוטונים שנפלטים על ידי הטונגסטן בנורת הלהט שבוער בטמפרטורה של 3000 מעלות קלוין הם בתחום הנראה. רוב האנרגיה היא של פוטונים באורכי גל ארוכים יותר, בני אדם אינם יכולים לראות אותם, אולם הם מעבירים חום לסביבה. בכל פעם שקרינה אלקטרומגנטית נפלטת ואז נבלעת, חום מועבר. עיקרון זו משמש מכשירי מיקרוגל, חיתוך בלייזר ואפליציה.
בשונה מהולכת והסעת חום, קרינה תרמית יכולה להיות מרוכזת בכתם קטן על ידי שימוש במראות. ריכוז של קרינה סולרית עושה שימוש בעובדה זו. במערכות רבות, מראות משמשות לרכז את אור השמש לשטח קטן. במקום מראות, ניתן לעשות שימוש בעדשות פרנל כדי לרכז את שטף החום (באופן עקרוני ניתן להשתמש בכל סוג של עדשות, אולם באופן מעשי התכנון של עדשות פרנל הוא היחיד שיכול לשמש לעדשות גדולות). כל שיטה יכולת יכולה לאדות מים לקיטור בעזרת אור השמש. למשל, אור השמש שמוחזר ממראות מחמם את תחנת הכוח הסולרית באשלים יכול להעלות את טמפרטורת המים ל-500 מעלות.

קרינת גוף שחור

המודל החשוב ביותר לקרינה זו הוא קרינת גוף שחור. גוף שהטמפרטורה שלו היא  פולט קרינה בכל התדרים, אך עצמת הקרינה אינה מתחלקת שווה בשווה, אלא היא פונקציה של התדירות. עבור גוף שחור, התפלגות הקרינה נתונה על ידי נוסחת פלאנק:
כאשר  היא התדירות,  היא מהירות האור,  הוא קבוע בולצמן ו- הוא קבוע פלאנק. ככל שטמפרטורת הגוף גבוהה יותר הקרינה הנפלטת ממנו בעוצמה המקסימלית היא בתדירות קטנה יותר, צפיפות הספק הקרינה בתדירות זו היא גבוהה יותר, ולכן גם סך הספק הקרינה הנפלטת ממנו גדול יותר. רוב הקרינה הנפלטת מגופים בטמפרטורת החדר היא בתחום התת-אדום. מגופים חמים יותר כגון מתכת לוהטת או להבת אש נפלטת קרינה בתדרים גבוהים יותר, בתחום האור הנראה.