Was ist Infrarot?

Infrarotstrahlung ist eine Art von elektromagnetischer Strahlung, wie auch Radiowellen, ultraviolette Strahlung, Röntgenstrahlen und Mikrowellen. Infrarot (IR) -Licht ist der Teil des EM-Spektrums, auf den Menschen im Alltag am meisten treffen, obwohl vieles davon unbemerkt bleibt. Es ist für menschliche Augen unsichtbar, aber Menschen können es als Hitze empfinden.

IR-Strahlung ist eine der drei Arten, Wärme von einem Ort zum anderen zu übertragen, die beiden anderen sind Konvektion und Wärmeleitung. Alles mit einer Temperatur über etwa 5 Grad Kelvin (minus 450 Grad Fahrenheit oder minus 268 Grad Celsius) emittiert IR-Strahlung. Die Sonne gibt die Hälfte ihrer Gesamtenergie als IR ab, und ein Großteil ihres sichtbaren Lichts wird absorbiert und als IR wieder emittiert, so die Universität von Tennessee.

Nach Angaben der Environmental Protection Agency wandeln Glühlampen nur etwa 10 Prozent ihres elektrischen Energieeinsatzes in sichtbare Lichtenergie um; etwa 90 Prozent werden in Infrarotstrahlung umgewandelt. Haushaltsgeräte wie Wärmestrahler und -toaster verwenden IR-Strahlung, um Wärme zu übertragen, ebenso wie industrielle Heizgeräte, wie sie zum Trocknen und Aushärten von Materialien verwendet werden. Diese Geräte emittieren im Allgemeinen Schwarzkörperstrahlung mit einer Spitzenenergieabgabe unterhalb der sichtbaren Wellenlänge, obwohl etwas Energie als sichtbares rotes Licht emittiert wird.

Eine TV-Fernbedienung verwendet IR-Wellen, um Kanäle zu wechseln. In der Ferne sendet eine IR-Leuchtdiode (LED) oder ein Laser laut NASA binär codierte Signale als schnelle Ein / Aus-Impulse aus. Ein Detektor im Fernsehgerät wandelt diese Lichtimpulse in elektrische Signale um, die einen Mikroprozessor anweisen, den Kanal zu wechseln, die Lautstärke einzustellen oder andere Aktionen auszuführen. IR-Laser können für Punkt-zu-Punkt-Kommunikation über Entfernungen von einigen hundert Metern oder Yards verwendet werden.

Elektromagnetische (EM) Strahlung wird in Wellen oder Teilchen bei verschiedenen Wellenlängen und Frequenzen übertragen. Dieser breite Wellenlängenbereich wird als elektromagnetisches Spektrum bezeichnet. Das Spektrum wird im Allgemeinen in sieben Regionen in der Reihenfolge abnehmender Wellenlänge und steigender Energie und Frequenz unterteilt. Die gebräuchlichen Bezeichnungen sind Radiowellen, Mikrowellen, Infrarot (IR), sichtbares Licht, Ultraviolett (UV), Röntgen- und Gammastrahlen.

Infrarotwellen sind länger als die von sichtbarem Licht, direkt hinter dem roten Ende des sichtbaren Spektrums. Infrarot (IR) fällt in den Bereich des (EM) -Spektrums zwischen Mikrowellen und sichtbarem Licht. Es hat Frequenzen von etwa 3 GHz bis etwa 400 THz und Wellenlängen von etwa 30 Zentimeter (12 Zoll) bis 740 Nanometer (0,00003 Zoll), obwohl diese Werte nicht endgültig sind.

Der britische Astronom William Herschel entdeckte laut NASA 1800 Infrarotlicht. In einem Experiment, um den Temperaturunterschied zwischen den Farben im sichtbaren Spektrum zu messen, platzierte er Thermometer in den Lichtweg innerhalb jeder Farbe des sichtbaren Spektrums. Er beobachtete einen Anstieg der Temperatur von blau nach rot, einschließlich einer noch wärmeren Temperaturmessung knapp über dem roten Ende des sichtbaren Spektrums.

Eine der nützlichsten Anwendungen des IR-Spektrums ist das Erfassen und Detektieren. Alle Objekte auf der Erde emittieren IR-Strahlung oder Wärme, die durch elektronische Sensoren, wie sie in Nachtsichtbrillen und Infrarotkameras verwendet werden, detektiert werden können. Ein einfaches Beispiel für einen solchen Sensor ist das Bolometer, das aus einem Teleskop mit einem temperaturempfindlichen Widerstand oder einem Thermistor in seinem Brennpunkt besteht. Wenn ein warmer Körper in das Sichtfeld dieses Instruments gelangt, verursacht die Wärme eine nachweisbare Änderung der Spannung am Thermistor. Nachtsichtkameras verwenden eine komplexere Version eines Bolometers. Diese Kameras enthalten typischerweise ladungsgekoppelte (CCD) Bildgebungs-Chips, die für IR-Licht empfindlich sind. Das von der CCD erzeugte Bild kann dann im sichtbaren Licht reproduziert werden. Diese Systeme können klein genug sein, um in tragbaren Geräten oder tragbaren Nachtsichtgeräten verwendet zu werden. Sie können auch für Zielvisiere mit oder ohne Zusatz eines IR-Lasers zum Zielen verwendet werden.

Infrarot-Spektroskopie misst IR-Emissionen von Materialien bei bestimmten Wellenlängen. Das IR-Spektrum einer Substanz zeigt charakteristische Einbrüche und Peaks, wenn Photonen von Elektronen in Molekülen absorbiert oder emittiert werden, wenn sie zwischen Orbits oder Energieniveaus übergehen. Diese Information kann dann verwendet werden, um Substanzen zu identifizieren und chemische Reaktionen zu überwachen. Laut Robert Mayanovic, Professor für Physik an der Missouri State University, ist die Infrarotspektroskopie, wie die Fourier-Transform-Infrarot (FTIR) -Spektroskopie, für zahlreiche wissenschaftliche Anwendungen sehr nützlich. Dazu gehört das Studium molekularer Systeme und 2D-Materialien wie Graphen.

Das California Institute of Technology (CalTech) beschreibt Infrarot-Astronomie als "die Erfassung und Untersuchung der Infrarotstrahlung (Wärmeenergie) von Objekten im Universum emittiert." Fortschritte bei IR-CCD-Bildgebungssystemen erlauben eine detaillierte Beobachtung der Verteilung von IR-Quellen, wobei komplexe Strukturen in Nebeln, Galaxien und der großräumigen Struktur des Universums aufgedeckt werden.

Einer der Vorteile der IR-Beobachtung ist, dass sie Objekte erkennen kann, die zu kühl sind, um sichtbares Licht zu emittieren. Dies hat zur Entdeckung bisher unbekannter Objekte wie Kometen, Asteroiden und zerstreuten interstellaren Staubwolken geführt, die in der gesamten Galaxie vorherrschen. IR-Astronomie ist besonders nützlich für die Beobachtung von kalten Gasmolekülen und auch von Staubpartikeln im interstellaren Medium, um ihre chemische Zusammensetzung zu bestimmen, sagte Robert Patterson, Professor für Astronomie an der Missouri State University. Diese Beobachtungen werden unter Verwendung spezieller CCD-Detektoren durchgeführt, die empfindlich auf IR-Photonen reagieren.

Ein weiterer Vorteil der IR-Strahlung besteht darin, dass sie aufgrund ihrer längeren Wellenlänge weniger streut als sichtbares Licht.Während sichtbares Licht von Gas- und Staubpartikeln absorbiert oder reflektiert werden kann, umgehen die längeren IR-Wellen diese kleinen Hindernisse. Aufgrund dieser Eigenschaft kann IR zur Beobachtung von Objekten verwendet werden, deren Licht durch Gas und Staub verdeckt wird. Zu solchen Objekten gehören neu entstehende Sterne, eingebettet in Nebel oder das Zentrum der Erdgalaxie.

Die meisten IR-Beobachtungen werden von Satelliten durchgeführt, um atmosphärische Störungen zu vermeiden. Einer der prominentesten dieser Satelliten war der Infrarote Astronomische Satellit (IRAS), der Bilder des Himmels bei Wellenlängen von 12, 25, 60 und 100 Mikrometer (ÎŒm) erzeugte. Sein Bildsensor musste mit 161 lbs auf 2 K (minus 456 F) abgekühlt werden. (73 Kilogramm) superflüssiges flüssiges Helium, das die Mission des Satelliten auf nur 10 Monate beschränkte. In diesem Zeitraum wurde jedoch eine Umfrage durchgeführt, die 96 Prozent des Himmels abdeckte. Es identifizierte mehrere Asteroiden, Kometen und interstellare Staubwolken und erzeugte die ersten Bilder des galaktischen Kerns. Die erzeugten Daten werden noch heute verwendet, um Beobachtungen bei anderen Wellenlängen zu führen.

Seitdem wurden mehrere Satelliten gestartet, um genauere Beobachtungen bestimmter Objekte und begrenzter Himmelsbereiche zu ermöglichen. Es gab jedoch keine weitere Himmelsdurchmusterung, die bis 2006 durchgeführt wurde, als die japanische Raumfahrtagentur JAXA den Satelliten AKIRI auf den Markt brachte, der japanisch für "Licht" ist. Das verbesserte kryogene System dieses Satelliten ermöglichte 18 Monate, etwa 50 Prozent mehr als IRAS. AKIRI hatte auch empfindlichere und höher auflösende Sensoren als IRAS, was zu einigen wirklich bemerkenswerten Bildern führte, die eine Fülle neuer Daten enthielten.

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