Alles strahlt

Mit der Inbetriebnahme neuer Funktechnologien treten auch Mahner auf den Plan, die vor den Folgen warnen. So war es seit den Anfängen der Funktechnik und auch bei 4G und so ist es heute bei 5G und so wird es in 10 Jahren bei 6G sein.

In dieser Folge kleiner Artikel rund um den Begriff „Strahlung“ wollen wir den heutigen Wissensstand darstellen.

Zitate

• Wilhelm Wien, 1900: sämtliche physikalische Prozesse sind elektromagnetischer Natur.
• Harald Lesch, 2016: die Menschheit kann nur überleben, weil sie Elektromagnetismus versteht.

(Mitglieder von ClubComputer können ein Video „Frag den Lesch: Alles strahlt“ in unserem Ordner „clubintern/video“ downloaden. In dem Video erklärt Harald Lesch die Bedeutung der Funktechnik für das Überleben der Menschheit.)

Strahlenparadies

Heute soll es um eine Art „Strahlenparadies“ gehen, einen Zustand, bei dem alle technischen Funkeinrichtungen eine Sendepause einlegen, etwas, das heute nur sehr schwer vorstellbar ist. Aber es gab diese funkfreie Zeit, damals im 19. Jahrhundert.

Am 18. Jänner 1903 gelang Guglielmo Marconi die erste transatlantische Funkverbindung aus Cornwall. Und Marconi verstand auch etwas vom Marketing, denn er machte nicht einfach nur einen wissenschaftlichen Versuch, es gelang ihm, den englischen König Eduard VII. und den amerikanischen Roosevelt zu einem Plausch mit Morsesignalen zusammenzubringen.

Vor dieser Zeit herrschte ziemliche Funkstille. Aber war damals der Raum tatsächlich frei von elektromagnetischen Wellen? Nein, das war er nicht, denn auch bei völliger Funkstille sind elektromagnetische Wellen allgegenwärtig; einerseits durch die Sonnenstrahlung und anderseits durch die thermische Strahlung jeder Materie. Die kosmische Strahlung aus den Weiten des Weltalls müssen wir nicht berücksichtigen, weil sie die Erdatmosphäre nicht durchdringen kann – wie wir noch sehen werden.

Thermisches Gleichgewicht

In unseren Wohnumgebungen herrscht thermisches Gleichgewicht, weil alle Objekte dieselbe Temperatur annehmen. Das heißt aber nicht, dass sie nicht strahlen, denn das tun sie immer. Gegenstände mit höherer Temperatur empfinden wir als warm, weil wir thermische Energie von ihnen aufnehmen. Gegenstände mit niedriger Temperatur empfinden wir als kalt, wir geben Energie an sie ab.

Ausbreitungsmechanismen von Wärme

Alle Körper strahlen. Ein Energietransport findet immer vom wärmeren zum kälteren Körper statt. Am folgenden Bild einer Esse können wir die Ausbreitungsmechanismen thermischer Energie sehen:

Die bei der Verbrennung von Kohle entstehende Wärme wird auf drei Arten abgeführt:

• Durch Wärmeleitung (Hufeisen)
• Durch Konvektion (erwärmte aufsteigende Luft)
• Durch Strahlung (rote Glut)

Die rote Glut gibt uns durch die Farbe auch einen Hinweis auf die Temperatur des Feuers. Ein Schmied braucht fast kein Thermometer, die Farbe sagt ihm, wie heiß der Stahl ist.

Wärmestrahlung

Wenn Wärmeleitung und Konvektion als Wärmeübertrager ausscheiden, verbleibt nur die Wirkung der Strahlung, wie bei den bekannten Infrarotstrahlern und bei der Sonnenstrahlung.

Wenn wir uns also im Freien einem Wärmestrahler (Infrarotstrahler) aussetzen – nehmen wir für den Strahler eine Temperatur von 500° C (870 K) an –  wird das Wärmeempfinden durch eine breitbandige Strahlung hervorgerufen, die im Mikrowellenbereich beginnt und bis etwa 300 THz (1µm) reicht. Das Maximum liegt bei etwa 100 THz (3 µm). Das Leuchten des Strahlers wird durch die Frequenzanteile im Bereich des sichtbaren roten Licht hervorgerufen. Aber das abgestrahlte Frequenzband ist viel größer.

Sonnenstrahlung

Auch zwischen Sonne und Erde gibt es kein Medium, das zur Wärmeleitung oder Konvektion dienen könnte, die Energie kommt als Sonnenstrahlung und Sonnenwind zur Erde.

Die Sonnenstrahlung ist elektromagnetische Strahlung, die sich mit Lichtgeschwindigkeit ausbreitet. Sie hat ein so genanntes Schwarzkörperspektrum mit einem Maximum beim gelben Licht, was einer Temperatur von etwa 5.000 K entspricht.

Der Sonnenwind ist ein Teilchenstrom, der sich mit etwa 150 km/s ausbreitet. Auf die Erde gelangen die Teilchen aber nicht; sie werden von der Atmosphäre absorbiert.

Schwarzer Körper

Ein Schwarzer Körper ist ein hypothetisches Objekt, das jede Form von Strahlung zu 100% absorbiert. Im Bereich des sichtbaren Lichts ist das bei schwarzen Gegenständen näherungsweise der Fall. Gibt der Körper Strahlung ab, dann tut er das unabhängig von seiner Beschaffenheit und der Form der Oberfläche nur in Abhängigkeit von der Temperatur. Die Sonne ist annähern ein solcher Schwarzer Körper. Schwarz gefärbte Oberflächen absorbieren alles sichtbare Licht und auch das nahe in mittlere Infrarot, aber das muss nicht heißen, dass sie das auch im fernen Infrarotbereich oder Mikrowellenbereich tun. In diesen Frequenzbereichen haben „schwarz“ anders strukturierte Oberflächen.

Spektrum der Sonnenstrahlung

Das folgende Bild zeigt das Sonnenspektrum in der Frequenzdarstellung und im Vergleich mit der theoretischen Strahlung eines schwarzen Körpers und der Filterung durch die Erdatmosphäre.

Atmosphäre als Filter

Das Spektrum der Sonnenstrahlung ist also ursprünglich kontinuierlich. Aber nicht alle Frequenzen erreichen uns am Erdboden, dafür sorgt die Filterwirkung der Erdatmosphäre. Das folgende Bild gibt uns eine Übersicht über die Frequenzen, die uns auf der Erde erreichen.

Die Atmosphäre der Erde schützt uns vor harter elektromagnetischer Strahlung (rechts im Bild). Aber auch lange Wellen und ein Teil der Mikro- und Terahertzwellen werden durch die Atmosphäre absorbiert. Markant ist das so genannte „Radiofenster“ und der teilweise durchlässige Bereich für Infrarot.

Alles strahlt

Die Sonne als Strahlungsquelle garantiert unsere Existenz. Wir fragen daher nur selten, wie intensiv die Strahlung der Sonne ist, so wie wir das bei den Funkwellen tun. Es ist, wie es ist, und wir halten das aus. Wenn die Filterwirkung der Atmosphäre aussetzt, wie seinerzeit beim „Ozon-Loch“, wurde uns bewusst, wie wichtig es ist, dass die tatsächlich krebserregenden härteren UV-Strahlen gefiltert werden.

Auch der Infrarotstrahler wird – genau so wie ein Kachelofen – als Wärmequelle akzeptiert. In diesem Zusammenhang muss man aber erwähnen, dass alle diese thermischen Quellen nicht nur im Infrarotbereich sondern auch im Mikrowellenbereich strahlen, handelt es sich doch immer um breitbandige Strahlungsquellen. Das sei als eine Anspielung darauf gemünzt, dass ja Funkgegner Mikrowellenstrahlung als tendenziell gefährlich bezeichnen.

Strahlung ist also nicht auf die Sonne oder den Ofen beschränkt; alle Körper strahlen, nur bemerken wir das im thermischen Gleichgewicht nicht, wenn es also in Räumen gleichmäßig warm ist. Kälteempfinden bedeutet von uns abfließende thermische Energie, Wärmeempfinden bedeutet auf uns zufließende Energie.

Materie strahlt also. Sie strahlt auch dann, wenn wir das nicht empfinden. Sie strahlt mit zunehmender Temperatur intensiver und gleichzeitig auch mit höherer Frequenz. Sie strahlt nicht mit einer einzigen Frequenz sondern in einem sehr breiten Frequenzspektrum mit einem deutlichen Maximum. Wenn es wirklich heiß wird, beginnen feste Stoffe zu glühen und die Farbe der Glut gibt uns einen Hinweis auf die herrschende Temperatur.

Wenn es unerträglich warm wird, setzen wir uns einfach weiter weg.

Plancksches Strahlungsgesetz

Max Planck entwickelte sein berühmtes Strahlungsgesetz auf der Grundlage der Arbeiten von Wilhelm Wien (Wiensches Strahlungsgesetz), John Rayleigh (Rayleigh-Jeans-Gesetz) und Stefan Boltzmann (Stefan-Boltzmann-Gesetz).

Die Aussage dieser Formel: Alle Körper strahlen ein breitbandiges Spektrum aus, dessen Maximum von der Temperatur abhängt. Mit der steigender Temperatur verschiebt sich das Maximum in Richtung höherer Frequenzen.

Raumtemperatur

Die Kurve 300 K beschreibt die Strahlung eines jeden Körpers bei Raumtemperatur.

Sonnenstrahlung

Die Kurve 5.000 K beschreibt die Strahlung der Sonne. Die Gelbfärbung der Sonne ist ein Hinweis auf ihre Oberflächentemperatur.

Kosmische Hintergrundstrahlung

Die Kurve mit 3 K beschreibt die Kosmische Hintergrundstrahlung (vorausgesagt 1933, zufällig entdeckt 1964 durch Arno Penzias und Robert Woodrow Wilson, Nobelpreis 1978). Diese Messung erfolgte nicht aufgrund einer Temperaturmessung sondern aufgrund einer Frequenzmessung, eines zuerst als Fehler interpretierten Rauschsignals.

Diese Antenne für Mikrowellen, ein Hornstrahler, war in New Jersey, USA auf Sateliten ausgerichtet und lieferte ein zunächst unerklärliches Rauschsignal, und erst nach und nach wurde den beiden Physikern Arno Penzias und Robert Woodrow Wilson klar, was die da entdeckt haben.

Die direkte Messung der Temperatur gelang erst mit dem BOOMERanG-Experiment 1997-2003.

Dazu muss man wissen, dass ein Thermometer, das zur Messung einer Temperaturstrahlung verwendet wird, kälter sein muss als die zu messende Temperatur. Außerdem dämpft unsere Atmosphäre Signale in diesem Frequenzbereich und daher muss man die Messung möglichst oberhalb der Troposphäre durchführen.

Ein Ballon mit einem besonderen Thermometer an Bord wurde auf etwa 42 Kilometer Höhe befördert. Das Thermometer kühlte man auf 0,27 K ab. Den Namen „Boomerang“ erhielt das Experiment, weil man die Messung in der Antarktis durchgeführt hat und die dort herrschenden polaren Wirbelwinde ausgenutzt hat, die den Ballon wieder an den Ausgangspunkt zurückgebracht haben.

Fazit

In dieser Darstellung der Strahlungsverhältnisse in einer Welt ohne Funktechnik sollte gezeigt werden, dass unsere Welt immer von Strahlung erfüllt ist, die sich vom Mikrowellenbereich bis zum Frequenzbereich des sichtbaren Lichts erstreckt. Die Intensität dieser Strahlung ist proportional zum Sonnenlicht. Aber auch bei Nacht ist Strahlung vorhanden, nämlich die Strahlung aller Körper. Diese ist viel geringer als die der Sonnenstrahlung, aber sie ist vorhanden.

Sollte sich also jemand in der wohligen Wärme eines Kachelofens aufhalten, dann wird er von einer Strahlungsquelle bestrahlt, deren Frequenz-Maximum etwa bei etwa 50 THz liegt. Man kann ja nur froh sein, dass Menschen das nicht so genau wissen.