Файл: Козелкин В.В. Основы инфракрасной техники учебник.pdf

2.Рассчитать облученность, создаваемую абсолютно черным телом с температурой 200° С на фотосопротпвлешш, находящем­ ся от него на расстоянии 1 м. Диаметр излучающего отверстия абсолютно черного тела 3 мм.

3.Если Солнце рассматривать как абсолютно черное тело с температурой 5600 К, то на какую область спектра будет прихо­ диться максимум солнечного излучения? Чему равна плотность излучения при этой длине волны?

4.При сверхзвуковом полете самолета происходит аэродина­ мический нагрев его поверхности. Температура алюминиевой об­ шивки самолета, летящего на высоте 10 км со скоростью 2,5 М ' достигает ~500 К. Чему будет равна в этом случае интеграль­ ная плотность излучения обшивки самолета?

Ответ: 177 Вт/см2.

5. Чему равна истинная температура раскаленной вольфра­ мовой проволоки, если кажущаяся температура, замеренная оп­ тическим пирометром, равна 2000 К?

Ответ: 2260 К.

6. Определить среднюю температуру солнечного диска, если интегральная плотность излучения Солнца над поверхностью Земли равна 0,14 Вт/см2. Диаметр Солнца равен 1,39-10е км, расстояние от Солнца до Земли 150-106 км.

Ответ: 5800 К.

§1.4. П РОХ ОЖ ДЕН И Е ИК-ИЗЛУЧЕНИЯ ЧЕРЕЗ АТМОСФЕРУ

1.Состав атмосферы.

Ослабление лучистого потока в атмосфере

Атмосфера представляет собой среду, состоящую из смеси газов п водяного пара со взвешенными в ней частицами различ­ ной величины и различного происхождения. Это могут быть ча­ стицы дыма, пыли (как земной, так и космической), органиче­ ские частицы и т. д.

Нижние слои атмосферы состоят из механической смеси азо­ та (78%), кислорода (21%) и ряда других газов. Из этих газов, на долю которых приходится около 1%, на оптические свойства атмосферы могут оказывать влияние углекислый газ и озон. Со­ держание углекислого газа СОг в приземном слое атмосферы не­ равномерно и колеблется от 0,3 до 0,05%, а озона Оз — около 10-5—-10_6%. Эти концентрации СОг и Оз остаются почти одина­ ковыми до высот порядка 20—25 км.

Концентрация водяного пара НгО в атмосфере может быть от 10_3 до 4% (по объему) и зависит от географической широты,*

* М — число Маха — отношение скорости движения тела в однородной сжимаемой среде к скорости звука в этой среде (для воздушной среды со средней температурой и влажностью она равна 340 м/с).

30

высоты над уровнем моря, времени года и местных метеороло­ гических условии. Основное количество водяного пара сосредото­

том прозрачности т, или прозрачностью, данного слоя атмосфе­ ры называется отношение лучистого потока Ф, прошедшего че­ рез атмосферный слой определенной толщины, к начальной величине входящего потока Ф0:

Обычно прозрачность выражают в относительных единицах или в процентах на 1 км слоя среды. Ослабление лучистого по­ тока при прохождении через слой атмосферы может происходить либо вследствие поглощения, либо вследствие рассеяния энергии излучения. В первом случае лучистая энергия, поглощаясь мате­ риальными частицами среды, превращается в другие виды энер­ гии (в основном в тепловую энергию). При рассеянии излучение отклоняется частицами среды в разные стороны и назад, так что в первоначальном направлении проходит только часть лучистого потока.

В общем случае ослабление лучистого потока средой может быть рассчитано по формуле Бугера — Ламберта

где / — протяженность среды в км; |3 — показатель ослабления,*** учитывающий как поглощение,

так и рассеяние на единицу протяженности среды (обыч­ но на 1 км) и равный сумме коэффициентов поглощения

Соотношение между поглощенной и рассеянной частью из­ лучения зависит от количества частиц в единицах объема среды и свойств этих частиц.

31

Коэффициент прозрачности среды равен [см. формулу (1.48)]

тического потока излучения, проходящего в среде с постоянным показателем ослабления |3. Этот случай практически может иметь место при прохождении лучистого потока горизонтально в ат­ мосфере на определенной высоте.

При прохождении лучистого потока в атмосфере вертикально или под углом показатель ослабления уже нельзя считать посто­ янным из-за неоднородности атмосферы на различных высотах. В этом случае для расчета ослабления лучистого потока толщу атмосферы условно разбивают на п равных слоев, внутри кото­ рых можно считать показатель ослабления постоянным. Для каждого слоя определяют коэффициент прозрачности т. Суммар­ ная прозрачность слоя атмосферы высотой h будет равна произ­ ведению коэффициентов прозрачности каждого слоя

При прохождении лучистого потока под углом ср к горизонту в пределах высоты к

_i_

В сухой и чистой атмосфере, состоящей только из молекул газа (что характерно для высокогорных условий и больших вы­ сот), рассеяние инфракрасного излучения подчиняется закону Рэлея. Этот закон устанавливает, что рассеяние лучистой энергии частицами, размеры, которых намного меньше длины волны из­ лучения %, обратно пропорционально четвертой степени длины волны.

По закону Рэлея коэффициент рассеяния о на 1 см пути ра­

вен

32

Данные по числу частиц N в 1 см3 r зависимости от высоты приведены в табл. 1.6.

Таблица 1.6

Количество частиц в I см3 в зависимости от высоты над поверхностью Земли

Плотность вещества в межпланетном космическом простран­ стве составляет приблизительно 1000 частиц в 1 см3.

При чисто молекулярном рассеянии инфракрасного излуче­ ния, т. е. при рассеянии излучения, происходящем в результате отдельных сгущений и разрежений среды, обусловленных дви­ жением молекул, закон Рэлея достаточно хорошо совпадает с экспериментальными измерениями.

Из формулы (1.53) видно, что с увеличением длины волны рассеяние излучения при прочих равных условиях будет умень­ шаться.* Этим объясняется лучшее прохождение инфракрасного излучения в слабо замутненной атмосфере по сравнению с ви­ димым.

Закон Рэлея справедлив только в том случае, если размеры рассеивающих частиц намного меньше длины волны излучения Я.. Когда размеры частиц становятся соизмеримыми или больше Я, закон Рэлея перестает соблюдаться и индикатрисы рассеяния становятся несимметричными, вытягиваясь вперед в направлении падающего луча.

В зависимости от соотношения между длиной волны лучисто­

* Этим явлением, например, объясняется голубой цвет неба, так как по закону Рэлея голубые и спине лучи, имеющие меньшую длину волны, рас­ сеиваются молекулами воздуха сильнее, чем желтые и красные.