Hermann Riemann wrote:
> Grundprinzip:
>
> Wenn geheizt werden soll:
> bei Sonne schwarze Oberfläche ( Wärmeaufnahme )
> im dunkeln weiße Oberfläche ( wenig Wärmestrahlung )
Das ist ein häufiges Missverständnis, dem das Missverständnis zugrundeliegt,
dass die Farbe der Grund für das Reflexionsvermögen und die Temperatur eines
Körpers sei statt (wie es richtig ist) umgekehrt.
Eine dunkle/schwarze Fläche hat nach Bestrahlung nicht deshalb eine höhere
Temperatur als eine helle/weisse Fläche unter den ansonsten gleichen
Bedingungen, weil sie mehr Wärme aufnähme.
Stattdessen erscheint sie *Menschen* schwarz, weil sie den für *Menschen*
*sichtbaren* Anteil des Lichts grösstenteils/vollständig absorbiert. Die
stärkere Absorption von Strahlungsenergie (und zwar grösstenteils NICHT die
der niederenergetischen Infrarotstrahlung) führt zu einer höheren Temperatur
des Körpers, da seine innere Energie erhöht wird.
Die Temperatur des Körpers kann mithilfe des Stefan–Boltzmann-Gesetzes
näherungsweise berechnet werden. Dabei wird angenommen, dass der bestrahlte
Körper ein sog. Schwarzer Körper (auch: Schwarzkörper, Schwarzer Strahler)
ist, der alle nicht-reflektierte Strahlung absorbiert und (für Menschen
nicht sichtbare, d. h. schwarze) Infrarotstrahlung entsprechend seiner
Temperatur emittieren würde, unabhängig vom Einfallswinkel und
Emissionswinkel (in der Praxis ist das nicht so). Dann gilt für die
Absorptions- und Emissionsleistung (des bestrahlten Körpers):
P_abs = P_emit
⇔ (1 − α) P_Quelle/(Ω d²) A_abs = A_emit σ T⁴,
wobei
α: Albedo (0: vollständige Absorption, 1: vollständige Reflexion);
Ω: Raumwinkel, in den die Quelle abstrahlt (bei einer sphärisch-
symmetrischen oder Punktquelle: 4π – gleichmässig auf eine gedachte
Kugeloberfläche verteilt);
d: Abstand zwischen (Oberfläche der) Quelle und Oberfläche des bestrahlten
Körpers;
A_abs:
absorbierende Fläche des Körpers; in der Regel der Querschnitt seiner
gesamten Oberfläche, da die Strahlung nur aus einer Richtung kommt;
A_emit:
emittierende Fläche des Körpers; in der Regel seine gesamte Oberfläche;
σ: Stefan–Boltzmann-Konstante;
T: absolute Temperatur des Körpers bei/kurz nach Bestrahlung.
Für die terrestrische mittlere Oberlächentemperatur ergäbe sich (wie ich
hier oder in de.sci.astronomie schon mehrfach erklärte) ohne Atmosphäre (und
den durch sie verursachten natürlichen Treibhauseffekt) aufgrund der solaren
Strahlung:
(1 − 0.3) P_Sol/(4π (1 au)²) π R² = (1 − 0.3) S π R² = 4π R² σ T⁴
⇔ (1 − 0.3) S = 4 σ T⁴
⇔ T = ∜((1 − 0.3) S/(4 σ)) ≈ −19 °C,
wobei S = P_Sol/(4π (1 au)²) ≈ 1360 W/m² die sog. Solarkonstante ist.
(Tatsächlich wird die Strahlungsleistung P_Sol ≈ 3.8 × 10²⁶ W ermittelt,
indem die gemessene Solarkonstante mit 4π (1 au)² multipliziert wird, unter
der Annahme, dass die Strahlungsleistung in alle Richtungen von Sol aus
gleich gross ist.)
> Wenn gekühlt werden soll:
> bei Sonne weiße Oberfläche ( Reflexion statt Wärmeaufnahme )
Auch hier ist der Grund für die "Farbe" „weiss“ erstmal nur, dass von den
Körper alles für Menschen sichtbare Licht reflektiert wird (Weiss ist daher
physikalisch ebensowenig eine Farbe des Lichts wie Schwarz). Da dieses dann
nicht absorbiert wird, erhöht es nicht die innere Energie des bestrahlten
Körpers. Es ist aber durchaus möglich, dass für Menschen nicht sichtbare
Strahlungsbestandteile, wie z. B. die höherenergetische UV-Strahlung, dies
tun. Da die terrestrische Atmosphäre bis zum Boden nicht nur den sichtbaren
Teil des elektromagnetischen Spektrums transmittiert, erwärmt sich auch eine
helle/weisse Oberfläche, nur langsamer als eine dunkle/schwarze.
Die geringere Absorptionsrate von weiss erscheinenden Objekten ist
allerdings der Grund dafür, weshalb EVA-Raumanzüge weiss sind. Durch das
reflektierende Material (was eben zu seinem Erscheinungsbild führt) wird
(zusammen mit dem Kühlsystem) verhindert, dass Astronauten in Raumanzügen
überhitzen, wenn diese(r) direktem Sonnenlicht ausgesetzt sind. Ähnliches
gilt für Raumkapseln. Dabei wird aber nicht nur sichtbares Licht
reflektiert, genauso wie ein schwarz erscheinendes Objekt nicht
notwendigerweise nur sichtbares Licht absorbiert.
PointedEars
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“Science is empirical: knowing the answer means nothing;
testing your knowledge means everything.”
—Dr. Lawrence M. Krauss, theoretical physicist,
in “A Universe from Nothing” (2009)