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Wärmestrahlung.
[* 2] Wendet man das Gesicht [* 3] einem geheizten Ofen zu, so empfindet man Hitze; dieses erhöhte Wärmegefühl verschwindet sofort, wenn ein Ofenschirm vor den Ofen gestellt wird; es kann demnach nicht von der erwärmten Luft des Zimmers, welche mit unsrer Haut [* 4] nach wie vor in Berührung ist, hervorgerufen sein, sondern muß eine von dem Ofen ausgehende Wirkung sein, welche durch ein zwischen unser Gesicht und den Ofen gebrachtes Hindernis aufgehalten wird, und welche wir dadurch bezeichnen, daß wir sagen: »der Ofen strahlt Wärme [* 5] aus«.
Diese Wärmestrahlen pflanzen sich in gerader Linie durch die Luft fort, ohne dieselbe unmittelbar zu erwärmen, und wirken erst dann erwärmend, wenn sie auf einen Körper treffen, der sie in sich aufnimmt (absorbiert); man sieht z. B. die Eisblumen an den Fensterscheiben unter der Einwirkung der vom Ofen ausgehenden Wärmestrahlen bereits schmelzen, wenn auch die Temperatur der Zimmerluft noch unter dem Gefrierpunkt ist. Diese unsichtbaren Strahlen, welche von jedem warmen oder heißen Körper ausgehen, werden von Spiegeln zurückgeworfen, von Prismen und Linsen gebrochen, an rauhen Flächen zerstreut u. absorbiert nach denselben Gesetzen wie die Lichtstrahlen. Stellt man z. B. zwei große Hohlspiegel [* 6] in der durch [* 2] Fig. 1 angedeuteten Weise einander gegenüber und bringt in den Brennpunkt des einen eine erhitzte eiserne Kugel, so werden die von ihr ausgehenden Strahlen unter sich parallel auf den andern Spiegel [* 7] zurückgeworfen und von diesem in seinem Brenn-
[* 2] ^[Abb.: Fig. 1. Zurückwerfung der Wärmestrahlen.] ¶
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punkt gesammelt; ein dahin gebrachtes Thermometer, [* 9] dessen Kugel durch Überziehen mit Ruß zur Aufnahme der Wärmestrahlen fähig gemacht worden, steigt, und das Radiometer [* 10] (s. d.) gerät in lebhafte Umdrehung, wenn man es in diesem Brennpunkt aufstellt. Eine Sammellinse (s. Linsen) entwirft von der heißen Kugel jenseits ein unsichtbares Wärmebild, dessen Dasein mittels des Radiometers ebenfalls leicht nachgewiesen werden kann. Man entwerfe im verdunkelten Zimmer mittels eines Prismas ein Sonnenspektrum (s. Farbenzerstreuung) [* 11] und lasse ein Radiometer von den Strahlen desselben bescheinen.
Man bemerkt, daß das Radiometer, indem man dasselbe vom violetten Ende des Spektrums nach dem roten Ende hin verschiebt, sich mit steigender Geschwindigkeit dreht und fortfährt sich zu drehen, wenn man es über das rote Ende hinausgebracht hat. Daraus geht hervor, daß die Wärmewirkung der verschiedenen Strahlenarten des Spektrums vom violetten Ende, wo sie unbedeutend ist, zunimmt gegen das rote Ende hin, daselbst aber nicht aufhört, sondern sich noch in das dunkle Gebiet jenseit des roten Endes erstreckt.
Das Sonnenlicht enthält also Strahlen, welche weniger brechbar sind als die roten Lichtstrahlen; sie sind für unser Auge [* 12] unsichtbar, offenbaren sich aber durch ihre beträchtliche Wärmewirkung; man nennt sie, da sie im Spektrum jenseit des roten Endes liegen, ultrarote Strahlen. Da man nun anderseits weiß, daß auch jenseit des violetten Endes noch stärker brechbare, für gewöhnlich unsichtbare Strahlen vorhanden sind, welche sich durch ihre photographische Wirkung (s. Photographie) verraten und durch Fluoreszenz [* 13] sichtbar gemacht werden können, so ergibt sich, daß das vollständige Sonnenspektrum aus folgenden drei Teilen besteht: dem unsichtbaren ultraroten Teil, dem zwischen den Fraunhoferschen Linien A und H gelegenen sichtbaren Teil und dem unsichtbaren ultravioletten Teil.
Die unsichtbaren Strahlen, welche ein warmer Körper, z. B. eine eiserne Kugel, aussendet, werden durch ein Prisma [* 14] weniger stark gebrochen als die roten Strahlen und sind demnach von derselben Natur wie die ultraroten Strahlen der Sonne; [* 15] mit steigender Erwärmung wächst nicht nur die Stärke [* 16] der Ausstrahlung, sondern es kommen bald auch zu jenen dunkeln Strahlen immer höher brechbare, leuchtende Strahlen hinzu, der heiße Körper wird sichtbar, er glüht; bei 540° zeigt sich das Rot bis gegen B (dunkles Rotglühen), bei 700° (Hellrotglühen) erstreckt sich das Spektrum der ausgesandten Strahlen bis jenseit F und endlich beim Weißglühen (1200°) über H hinaus.
Als feineres Mittel zum Nachweis und zur Erforschung der Wärmestrahlung dient eine Thermosäule (s. Thermoelektrizität) [* 17] in Verbindung mit einem Galvanometer [* 18] (Mellonis Thermomultiplikator, [* 8] Fig. 2). Derselbe besteht aus einer thermoelektrischen Säule p, deren berußte Endflächen zum Auffangen der Strahlen einerseits mit einer cylindrischen (a), anderseits mit einer kegelförmigen Ansatzröhre (b) versehen sind, und einem sehr empfindlichen Galvanometer (Multiplikator) M, mit welchem die Thermosäule durch die Klemmschrauben x, y und die Leitungsdrähte g, h in Verbindung steht.
Die von der Lampe [* 19] L ausgestrahlte Wärme gelangt durch das Loch des Metallschirms s zur einen Endfläche der Thermosäule und erregt einen thermoelektrischen Strom, der eine um so größere Ablenkung der Magnetnadel des Galvanometers hervorbringt, je kräftiger die Strahlung ist. Thermosäule, Lampe, Schirm und ein zum Tragen der zu untersuchenden Gegenstände (r) bestimmtes Tischchen sind längs einer Messingschiene d f beliebig verstellbar. Mittels des Thermomultiplikators kann man z. B. die Wärmewirkung der verschiedenen Gegenden des Sonnenspektrums messend verfolgen; man findet, daß dieselbe noch über das rote Ende hinaus wächst und erst im ultraroten Gebiet ihren größten Wert erreicht. Berücksichtigt man jedoch, daß durch die Wirkung des Prismas die stärker brechbaren Strahlen verhältnismäßig weiter auseinander gebrochen werden als die weniger brechbaren, und bringt den Vorteil, welcher den letztern hierdurch zuwächst, wieder in Abzug, so ergibt sich, daß die gelben und grüngelben Strahlen zwischen D und E, welche unserm Auge als die hellsten erscheinen, zugleich auch die wärmsten sind.
Aus allen diesen Thatsachen geht hervor, daß zwischen den dunkeln Wärmestrahlen und den Lichtstrahlen an sich kein andrer Unterschied besteht als der stufenweise Unterschied der Brechbarkeit; jene unterscheiden sich von den roten Strahlen nicht mehr als die roten von den gelben oder die gelben von den grünen. Die Unsichtbarkeit jener wie die Sichtbarkeit dieser ist nicht in dem Wesen der Strahlen, sondern in der Beschaffenheit unsers Auges begründet, welches zur Wahrnehmung der ultraroten Strahlen nicht befähigt ist.
Diese sind uns unmittelbar nur durch den Gefühlssinn als Wärme wahrnehmbar, die hellen Strahlen dagegen wirken gleichzeitig auf zwei Sinne, auf die Gefühlsnerven als Wärme, auf das Auge als Licht. [* 20] Jeder Lichtstrahl ist zugleich auch ein Wärmestrahl. Wir sind durch kein Mittel im stande, die Wärmewirkung, welche z. B. dem einfachen gelben Lichte der Natriumflamme innewohnt, von seiner Lichtwirkung zu trennen; es gibt eben keine Strahlen von dieser Brechbarkeit, welche nur Wärmewirkung und keine Lichtwirkung hervorzubringen vermöchten. Licht und strahlende Wärme sind daher als Wirkungen einer und derselben Ursache nicht an sich, sondern nur für uns, als Empfindungsformen, voneinander verschieben. Derselbe einheitliche
[* 8] ^[Abb.: Fig. 2. Mellonis Thermomultiplikator.] ¶
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Strahl ruft in uns, je nach der Nervenbahn, durch welche der von ihm hervorgebrachte Eindruck zu dem Sitz unsers Bewußtseins geleitet wird, bald Licht-, bald Wärmeempfindung hervor, ähnlich wie eine angeschlagene Stimmgabel in unserm Ohr [* 22] eine Tonempfindung, in der berührenden Hand [* 23] aber das Gefühl des Schwirrens hervorruft.
Die Durchlässigkeit verschiedener Körper ist wie für helle Strahlen, so auch für dunkle Wärmestrahlen sehr verschieden. Reine Luft läßt die Sonnenstrahlen, dunkle wie helle, fast vollständig durch sich hindurchgehen; sie wird daher von ihnen nur unbedeutend erwärmt; die höhern Luftschichten, obgleich sie die Sonnenstrahlen aus erster Hand empfangen, bleiben dennoch so kalt, daß selbst in der heißen Zone die Gipfel der Hochgebirge mit ewigem Schnee [* 24] bedeckt sind.
Die Erwärmung der Atmosphäre erfolgt zum weitaus größern Teil nicht unmittelbar durch die Sonnenstrahlen, sondern mittelbar durch die erhitzte Erdoberfläche, welche ihre durch Einsaugung der Strahlen erworbene Wärme zunächst den sie berührenden untern Luftschichten mitteilt; indem diese, leichter geworden, emporsteigen, führen sie die Wärme auch den höhern Luftschichten zu. Weder das Wasser, noch die Wolken, noch irgend welche Bestandteile der festen Erdrinde sind so durchlässig wie die Luft.
Alle verschlucken (absorbieren) einen größern oder geringern Anteil der sie treffenden Sonnenstrahlen und erwärmen sich
dadurch. Melloni nannte Körper, welche die dunkeln (ultraroten) Wärmestrahlen in ähnlicher Weise durchlassen
wie durchsichtige Körper die leuchtenden Strahlen, di
atherman; atherman dagegen solche, welche die dunkeln Wärmestrahlen
absorbieren. Steinsalz läßt alle dunkeln Wärmestrahlen (ebensogut wie die hellen) durch und verhält sich demnach zu ihnen
wie ein farblos durchsichtiger Körper gegenüber den Lichtstrahlen; der für Licht ebenso durchsichtige
Alaun
[* 25] dagegen ist für ultrarote Strahlen undurchlässig. Andre Körper absorbieren bestimmte Partien aus dem ultraroten Gebiet
des Spektrums und verhalten sich also den dunkeln Wärmestrahlen gegenüber ähnlich wie gefärbte durchsichtige Körper, welche
nur Lichtstrahlen von gewisser Farbe durchlassen, andersfarbige aber absorbieren (vgl. Absorption 2). Melloni bezeichnete
dieses Verhalten als Wärmefärbung oder Thermochrose.
Ein bestrahlter Körper wird sich um so höher erwärmen, je vollständiger er die auf ihn fallenden Strahlen verschluckt oder je weniger er davon durch diffuse Zurückwerfung wieder zurückgibt; dunkle Körper erwärmen sich daher bei gleicher Bestrahlung höher als helle. Aus diesem Grund ziehen wir im Winter dunkle, im Sommer helle Kleidung vor. Dunkel gefärbte Ackererde wird unter dem Einfluß der Sonnenstrahlen stärker erwärmt als weißlicher Kalkboden. Der Kienruß, welcher alle Strahlenarten fast vollkommen absorbiert und ebendarum schwarz aussieht, wird durch Bestrahlung stärker erwärmt als irgend ein andrer Körper.
Streut man Ruß auf den Schnee, so wird man bemerken, daß der Schnee unter dem Ruß rascher schmilzt als der benachbarte, und daß, der Rußspur folgend, eine tiefe Rinne im Schnee sich bildet. Diejenigen Körper, welche die Wärmestrahlen am besten einsaugen, strahlen umgekehrt ihre Wärme auch am leichtesten wieder aus: das Ausstrahlungsvermögen wächst in demselben Verhältnis wie das Absorptionsvermögen. Heißes Wasser z. B. erkaltet in einem rußigen Topf rascher als in einem blanken. Es versteht sich von selbst, daß nur Strahlen, welche in einen Körper eindringen, von ihm absorbiert werden und ihn erwärmen können.
Ein glatt polierter Körper, der schon an seiner Oberfläche einen Teil der Strahlen zurückwirft, erwärmt sich bei gleicher Bestrahlung weniger, als wenn man ihm eine rauhe Oberfläche gibt, welche die Strahlen, ehe sie dieselben zerstreut, bis zu einer gewissen Tiefe eindringen läßt. Anderseits wird ein warmer Körper seine Wärme reichlicher ausstrahlen, wenn seine Oberfläche matt als wenn sie poliert ist, weil an der glatten Oberfläche ein Teil der aus dem Innern des Körpers kommenden Wärmestrahlen wieder nach innen zurückgeworfen wird. In einer blank geputzten metallenen Kaffeekanne hält sich daher das Getränk längere Zeit heiß, als wenn die Oberfläche der Kanne [* 26] unrein ist. Also auch in dieser Hinsicht erweisen sich die besten Einsauger zugleich als die besten Ausstrahler.