Prečo sklo s emisiou 0,9 vykazuje ostrý odraz okolia, zatiaľ čo s podobnou emisiou nie?

V oblasti termografie a fyziky tepelného žiarenia sa objavuje otázka, ktorá na prvý pohľad pôsobí paradoxne: ako je možné, že sklo s emisiou približne 0,9 vykazuje veľmi ostré, odrazové odrazy okolitých objektov, zatiaľ čo alebo omítka s prakticky rovnakou emisiou, žiadny taký odraz nevykazuje?

Intuitívna predstava je jednoduchá: vysoká emisivita = „neodrazivý povrch“. Jenže právě tato představa je zavádějící. Ve skutočnosti totiž emisivita sama o sebe neříká nic o tom, zda a jak uvidíme odraz . Rozhodujúca roli zde hraje niečo iného: charakter odrazu a povrchová štruktúra materiálu ve vzťahu k vlnovej dĺžke infračerveného žiarenia .

Čo emisivita skutočne znamená (a čo ne)

Emisivita je fyzikálna veličina, ktorá popisuje, ako účinný povrch vyzařuje infračervené žiarenie v porovnaní s tepelným čiernym telesom. Pre danú vlnovú dĺžku a smer platí Kirchhoffův zákon, podľa ktorého je emisia absorbovaná.

To má dôležitý, ale často zle interpretovaný záver:
emisivita říká, aké žiarenie sa absorbuje a následne môže byť vyzařované , nie jak sa odražené žiarenie priestorovo rozdeľuje .

Celková bilance dopadajúceho žiarenia je vždy:

• časť sa absorbuje (→ súvisí s emisiou),

• časť sa odráža,

• časť sa prípadne prepustí (u LWIR skla prakticky zanedbateľné).

U bežného okenného skla v oblasti 8–14 µm je postup minimálny, takže platí, že dopadajúce žiarenie LWIR sa absorbuje, alebo odrazí . Sklo s emisiou 0,9 tedy stále približne 10 % do padajúcej energie. To samo o sebe nie je nijak zvlášť – podobne sa chová i omítka. Rozdiel je v tom, akým spôsobom sa tých 10 % odrazí .

Dlouhovlnné infračervené žiarenie a meradlo povrchovej drsnosti

Dlouhovlnné infračervené žiarenie (LWIR), ktoré zachycuje bežné termokamery, má vlnovú dĺžku zhruba 8–14 µm , typicky okolo 10 µm. Práve tato hodnota je kľúčová.

Chování elektromagnetickému žiareniu jeho povrchu závisí na tom, či je drsnosť malá, alebo veľká ve srovnání s vlnovou délkou .

• Ak je povrchová drsnosť výrazne menšia než vlnová dĺžka , povrch je ako opticky hladký.

• Ak je drsnosť srovnatelná alebo väčšia než vlnová dĺžka , povrch je opticky drsný.

A práve zde sa zásadne rozchádzajú vlastnosti skla a zdi.

Sklo: opticky hladké i pre LWIR

Bežné sklo má povrchovú drsnosť v rade desiatok nanometrov . To je o dva až tri řády menej než vlnová dĺžka LWIR. Z pohľadu infračerveného žiarenia je teda sklo extrémne hladké , a to aj napriek tomu, že pre ľudské oko už „hladší“ nemôže.

Důsledkem je, že odraz LWIR záření na skle je převážně spekulární , tedy zrkadlový. Záření sa odrazí podľa zákona odrazu, zostáva priestorovo usporiadané a mieri do presne určeného smeru. Termokamera tak dokáže zachytiť ostrý obraz teplých objektov, ktoré sa nachádzajú v skle „zrkadlá“ – radiátory, ľudské postavy, alebo napríklad chladnú oblohu.

Tento jev často vedie k mylnému záveru, že má „nízku emisiu“ alebo že „hodne teplo“. Ve sklo súčasne dobre absorbuje i dobre skutočnosť, len odraz nie je rozptýlený, ale smerový.

Zeď: extrémne drsný povrch v miere LWIR

Omítka, betón alebo tehla majú povrchovú štruktúru úplne iného charakteru. Ich mikroskopická drsnosť sa pohybuje v rade niekoľkých desiatok až stovek mikrometrov , teda výrazne viac než je vlnová dĺžka LWIR.

Pre infračervené žiarenie je taký povrch silne členitý a chaotický . Každý mikroskopický výstup alebo žiariť iným smerom. je difúzny odraz , pri ktorom sa energia rozptýli do širokého priestorového uhla.

Z praktického hľadiska to znamená, že žiadny smer dostatočne veľkú časť odraženej energie, aby vznikol pozorovateľný obraz. Termokamera tak uvidí predovšetkým vlastný povrch, nie odrazy okolitých objektov.

Prečo rovnaká emisia vedie k tak rozdielnemu vjemu

Zásadní je pochopit, že emisia neříká nic o tom, zda povrch „zrcadlí“ . Říká pouze, jaký je poměr mezi absorpcí a emisemi. To, či odraz vytvorí ostrý obraz, alebo sa „ztratí“, závisí na:

• mikrogeometria povrchu,

• jej štatistická štruktúra,

• a pomer tejto štruktúry k vlnovej dĺžke žiarenia.

Sklo i môžu mať emisiu 0,9, ale napriek tomu sklo konečných 10 % energie usmernene , je odrazom rozptýlené . V jednom prípade je odraz viditeľný a rušivý, v druhom prakticky nepozorovateľný.

Praktický význam pre termografii

Tento rozdiel má zásadné praktické dôsledky. Skleněné povrchy jsou v termografii problematickou nikoli proto, že by „špatně vyzařovaly“, ale preto, že sa chovajú jako infračervená zrkadlo . Termokamera potom meria teplotu odraženého objektu miesto často samotného skla.

Naopak omítky, betóny a ďalšie stavebné materiály sú z hľadiska merania oveľa „vďačnejšie“, pretože ich difúzny odraz minimalizuje vplyv okolitých zdrojov žiarenia.

Záverečné shrnutie

Rozdiel medzi sklem a rovnakými emisiami nie je v rozpore s fyzikou, ale je jej priamym výsledkom.

Sklo má v LWIR vysokú emisiu, ale zároveň opticky hladký povrch, ktorý vedie ke spekulárnímu odrazu. Zeď má podobnú emisiu, ale opticky extrémne drsný povrch, ktorý prinesie difúzny rozptyl.

Inými slovami:
emisivita určuje, koľko žiarenia povrch vyzařuje, zatiaľ čo povrchová štruktúra určuje, či uvidíme odraz.