فیزیک سنجش از دور حرارتی

قانون پلانک : قانون تابش جسم سیاه پلانک توصیف کننده امواج الکترومغناطیسی تابیده شده بواسطه یک جسم سیاه در یک طول موج را بیان میکند که تابعی از حرارت مطلق پدیده مورد نظر است.

جسم سیاه به عنوان یک جسم فرضی  و تابش کننده ایدآل در نظر گرفته شده است که تمامی انرژی الکترومغناطیسی رسیده را دریافت و تمام آن را به محیط باز میگرداند.

در شکل زیر تابع پلانک نشان دهنده رابطه بین درجه حرارت و طول موج تابیده شده توسط پدیده های مختلف اعم از خورشید و سیاره زمین را نشان میدهد.

ماکسیموم طول موج تابش شده از پدیده های مختلف تابعی از حرارت جسم سیاه است که بواسطه قانون استفان بولترمان و قانون جایجایی وین تشریح میشود.

قانون استفان بولتزمان : توصیف کننده مجموع تابش الکترومغناطیسی منتشر شده از جسم سیاه بوده که تابعی از حرارت مطلق جسم سیاه است.تابش گسیل شده متناسب با محدوده زیر منحنی  تابش الکترومغناطیسی در شکل مذکور است.

بر اساس  قانون استفان بولتزمان هرچه حرارت یک پدیده بیشتر باشد میزان تابش امواج حرارتی آن نیز بیشتر خواهد بود. البته این رابطه بصورت کاملا خطی نیست، تابش خورشیدی متناسب با توان چهارم حرارت جسم سیاه است.

قانون جایجایی وین : توصیف کننده طول موجی است که در آن بیشترین تابش الکترومغناطیسی رخ داده است. با افزایش درجه حرارت یک پدیده ماکسیموم تابش امواج در طول موج های کوتاهتر رخ میدهد. چرا که با کاهش طول موج، فرکانس افزایش پیدا میکند. در این رابطه به عنوان مثال میتوان به خورشید و زمین اشاره کرد. بیشترین تابش خورشید با درجه حرارت 6000 درجه کلوین  در محدوده 0.48 میکرومتر و زمین با 300 درجه کلوین در محدوده 9.66 میکرومتر از بیشترین تایش برخوردار است.

در شکل زیر تصویر ماهواره ای لندست از فوران آتش فشان کلیمانجارو نشان داده شده است. در  تصویر بالا سمت چپ فوران آتش فشان در یک ترکیب رنگ واقعی قابل مشاهده است. موتد مذاب بیرون ریخته شده از داخل آتش فشان در تصویر حرارتی ماهواره لندست (پایین سمت راست) به رنگ روشن ظاهر شده. در همین محدوده بخشی با رنگ روشن تر قابل مشاهده است که بدلیل حرارت بالاتر مواد مذاب آن ایجاد گردیده.

در تصویر مادون قرمز طول موج کوتاه (تصویر پایین سمت چپ) نیز بدلیل روشن ظاهر شدن ابرها امکان تشخیص مواد مذاب به خوبی باند حرارتی امکان پذیر نشده است.

قانون کیرشهف: قانون پلانک توصیف کننده تابش منتشر شده از جسم سیاه است. پدیده های بسیار اندکی در سطح زمین وجود دارند که از رفتاری مشابه با رفتار جسم سیاه تبعیت میکنند. بسیاری از پدیده ها کمتر از میزان حرارت جنبشی شان انرژی حرارتی از خود گسیل میکنند. این حقیقت همواره از طریق شریب گسیلمندی در نظر گرفته میشود. گسیلمندیتوصیف کننده شار تابشی یک جسم در یک حرارت خاص نسبت به شار حرارتی جسم سیاه در همان طول موج است.

برای یک جسم سیاه تمامی  تابش جذب شده مجددا گسیل و منتشر میشود(یک جذب کننده و یک تابش کننده ایدال). بر همین اساس قانون کیرشهف اثبات میکند که  گسیلمندی در یک طول موج  برابر با میزان جذب االکترومغناطیسی صورت گرفته است.

از همین رو  گسیلمندی طیفی یک پدیده از طریق میزان بازتاب آن قابل محاسبه است و بر عکس. آن دسته از پدیده هایی که از گسیلمندی بالایی برخوردار هستند، بخش زیادی از انرژی رسیده را جذب نموده و سپس بخش زیادی از انرژی جذب شده را گسیل مینمایند و برعکس.

گسیلمندی با توجه به نوع سطح و طول موج کاملا متفاوت است با این حال تابعی از حرارت نیست. در جدول زیر میزان گسیلمندی پدیده های مختلف به ترتیب آورده شده است.

مقدار گسیلمندی بین صفر تا یک است و هرچه مقدار گسیلمندی بیشتر باشد مقدار عددی آن به یک نزدیک تر است.