放射率

表面の半球放射率（εで表される）は、 ^{[ 14 ]}で定義される。

${\displaystyle \varepsilon ={\frac {M_{\mathrm {e} }}{M_{\mathrm {e} }^{\circ }}},}$

どこ

• Me_はその表面の放射発散度である。
• M _e ° は、その表面と同じ温度の黒体の放射輝度です。

表面の周波数におけるスペクトル半球放射率と波長におけるスペクトル半球放射率は_{、それぞれ}ενとελで表され、^{[ 14 ]}_{のように定義されます。}

${\displaystyle {\begin{aligned}\varepsilon _{\nu }&={\frac {M_{\mathrm {e} ,\nu }}{M_{\mathrm {e} ,\nu }^{\circ }}},\\\varepsilon _{\lambda }&={\frac {M_{\mathrm {e} ,\lambda }}{M_{\mathrm {e} ,\lambda }^{\circ }}},\end{aligned}}}$

どこ

• M _e,νはその表面の周波数におけるスペクトル放射発散度である。
• M _e,ν ° は、その表面と同じ温度の黒体の周波数スペクトル放射発散度です。
• M _e,λはその表面の波長におけるスペクトル放射輝度である。
• M _e,λ ° は、その表面と同じ温度の黒体の波長におけるスペクトル放射輝度です。

表面の方向性放射率（εΩで表される_）は、 ^{[ 14 ]}で定義される。

${\displaystyle \varepsilon _{\Omega }={\frac {L_{\mathrm {e} ,\Omega }}{L_{\mathrm {e} ,\Omega }^{\circ }}},}$

どこ

• L _e,Ωはその表面の放射輝度です。
• L _e,Ω ° は、その表面と同じ温度の黒体の放射輝度です。

表面の周波数におけるスペクトル方向放射率と波長におけるスペクトル方向放射率は、それぞれε _ν,Ωおよびε _λ,Ωと表記され、^{[ 14 ]のように定義される。}

${\displaystyle {\begin{aligned}\varepsilon _{\nu ,\Omega }&={\frac {L_{\mathrm {e} ,\Omega ,\nu }}{L_{\mathrm {e} ,\Omega ,\nu }^{\circ }}},\\\varepsilon _{\lambda ,\Omega }&={\frac {L_{\mathrm {e} ,\Omega ,\lambda }}{L_{\mathrm {e} ,\Omega ,\lambda }^{\circ }}},\end{aligned}}}$

どこ

• L _e,Ω,νはその表面の周波数におけるスペクトル放射輝度である。
• L _e,Ω,ν ° は、その表面と同じ温度の黒体の周波数スペクトル放射輝度です。
• L _e,Ω,λはその表面の波長におけるスペクトル放射輝度である。
• L _e,Ω,λ ° は、その表面と同じ温度の黒体の波長におけるスペクトル放射輝度です。

半球放射率は、「放射熱伝達」に関する教科書に記載されている方向別スペクトル放射率の加重平均として表すこともできます。^{[ 12 ]}

実際には、この依存関係を記述するために近似モデルがよく用いられる。最も単純なモデルの一つがコサインモデルである。

${\displaystyle \varepsilon (\alpha )=\varepsilon _{0}\cdot \cos ^{n}(\alpha ),}$

どこ$\displaystyle \varepsilon _{0}}$は法線方向の放射率であり、指数nは表面の理想的な拡散挙動からのずれを表します。熱画像アプリケーションでは、この角度依存性を定量的な熱画像方程式に組み込む必要があります。なぜなら、熱カメラのピクセルによって検出される実効放射輝度は、放射率関数と の両方に依存するからです。${\displaystyle \varepsilon (\alpha )}$そして、反射された背景放射の寄与。

コサインべき乗放射率モデルの例 関数ε(α) = ε ₀ ·cos ^{n (α) のパラメータ}nは、表面法線からの角度 α に対して放射率がどれだけ強く減少するかを制御します。典型的な解釈は次のとおりです。

• n  = 1の場合、放射率は角度とともに緩やかに減少します。このような表面は斜め入射時に放射効率が低下し、反射された背景放射が体感温度に大きく影響します。 
• n  = 2 –角度依存性が強くなる。視野角が大きくなると、検出される放射率が著しく低下し、反射放射の割合が増加するため、補正を行わないと見かけの温度測定における誤差が大きくなる。 
• n  = 3 –急峻な角度減衰。斜め入射の場合、放射成分は反射成分に比べて小さくなる可能性があり、ε(α)と観測ジオメトリを考慮しない限り、見かけの温度は背景温度に大きく偏る可能性があります。 

実際のサーモグラフィでは、n値が高い表面では、真の物体温度を過小評価しないように、反射された見かけの温度を正確に補正する必要がある。

表面の放射率と入射放射の吸収率（表面の「吸収率」）を等しくするという基本的な関係（グスタフ・キルヒホフの1859年の熱放射の法則）があります。キルヒホフの法則は、放射率と吸収率のスペクトル方向の定義に関して厳密に適用されます。この関係は、最大の吸収率（真に黒い物体によるすべての入射光の完全な吸収に対応）も1であるため、放射率が1を超えることができない理由を説明します。^{[ 12 ]}光を反射する鏡のような金属表面は、反射光が吸収されないため、放射率が低くなります。磨かれた銀の表面は、室温付近で約0.02の放射率を持ちます。黒いすすは熱放射を非常によく吸収し、放射率は0.97にもなるため、すすは理想的な黒体のかなり良い近似です。^{[ 22 ] [ 23 ]}

表面を磨いてむき出しにした金属を除けば、室温付近では、肉眼で見た表面の外観は放射率の目安にはなりません。例えば、白い塗料は可視光をほとんど吸収しません。しかし、10×10⁻⁶メートルの赤外線波長では^、塗料は光を非常によく吸収し、高い放射率を示します。同様に、純水は可視光をほとんど吸収しませんが、それでも水は強い赤外線吸収体であり、それに伴い高い放射率を示します。

放射率（または放射能）とは、単位面積あたり、単位時間あたりに、あらゆる波長で放出される熱エネルギーの総量です。ある温度における物体の放射率は、その物体の全放射能と、その温度における完全黒体の全放射能との比です。プランクの法則によれば、放射される全エネルギーは温度とともに増加し、放射スペクトルのピークはより短い波長へとシフトします。短い波長で放出されるエネルギーは、温度とともに急速に増加します。例えば、1,273 K（1,000 °C、1,832 °F）で熱平衡状態にある理想的な黒体は、そのエネルギーの97%を以下の波長で放出します。   14 μm 。^{[ 8 ]}

放射率という用語は、一般的に銀のような単純で均質な表面を説明するために使用されます。放射率や熱放射率といった類似の用語は、断熱材などの複雑な表面の熱放射測定を説明するために使用されます。^{[ 24 ] [ 25 ] [ 26 ]}

表面の放射率は、その表面から放出されるエネルギーから直接的または間接的に測定できます。直接放射測定法では、フーリエ変換赤外分光法（FTIR）などの分光器を使用して、サンプルからの放出エネルギーを直接測定します。^{[ 26 ]}間接熱量測定法では、熱量計を使用して、サンプルからの放出エネルギーを間接的に測定します。これら 2 つの一般的な方法に加えて、 2 色高温測定の原理に基づく安価な放射測定技術があります。^{[ 26 ]}

地球表面の放射率 (ε _s ) は、 8〜13 μmの比較的遮蔽の少ない大気窓を通して天底で表面の熱放射を直接観測することにより、衛星搭載機器で推定されています。 ^{[ 29 ]}_{値は ε s} =0.65〜0.99 の範囲にあり、最も低い値は通常、最も不毛な砂漠地帯に限られます。ほとんどの表面領域の放射率は、海洋、陸上の植生、雪/氷などの水の影響が支配的であるため、0.9 を超えています。地球表面の半球放射率のグローバル平均推定値は、ε _s =0.95付近です。 ^{[ 30 ]} 

水はまた、水蒸気の形で地球の大気放射率と吸収率を支配している。雲、二酸化炭素、その他の成分は、特に水蒸気吸収スペクトルにギャップがある場合に、相当な追加的な寄与をする。^{[ 31 ]} 窒素（N₂）と酸素（O）₂）–主要な大気成分– は赤外線帯域の熱放射とあまり相互作用しない。 ^{[ 21 ]} 地球の大気放射率（εa）の直接測定は_、大気の多層構造とより動的な構造のため、地表面の場合よりも困難である。  

_{ε a}の上限値と下限値は、極端ではあるものの現実的な局所条件に従って測定および計算されています。上限値では、高密度の低層雲構造（液体/氷エアロゾルと飽和水蒸気から構成される）が赤外線透過窓を閉じ、ε _a ≈1 のほぼ黒体状態をもたらします。^{[ 32 ]} 下限値では、晴天（雲なし）条件が透過窓の最大開口を促進します。長寿命の微量温室効果ガスのより均一な濃度と0.25～20 mbar の水蒸気圧の組み合わせにより、ε _a  =0.55～0.8の範囲で最小値が得られます（水蒸気のみの大気をシミュレートした場合、ε =0.35～0.75）。^{[ 33 ]}二酸化炭素（CO₂ ) およびその他の温室効果ガスは、大気湿度が低い場合、_aに約 ε=0.2 寄与します^{。 [ 34 ]} 研究者らはまた、さまざまな雲の種類が大気の吸収率と放射率に及ぼす影響を評価しました。 ^{[ 35 ] [ 36 ] [ 37 ]}

近年では、大気中における放射輸送の詳細なプロセスと複雑な特性は、MODTRAN / HITRANなどの放射輸送コードとデータベースを用いた大気大循環モデルによって評価されている。^{[ 33 ]}これにより、放出、吸収、散乱が空間と時間の両方でシミュレートされる。

多くの実用的な用途では、すべての放射率の値を局所的に知ることは不可能、経済的、または必要ではない場合があります。大気または惑星全体に対する「有効」または「バルク」値を使用できます。これらは、リモート観測（地上または宇宙から）に基づいているか、特定のモデルで使用される簡略化に従って定義できます。たとえば、理想化された単層大気エネルギーバランスモデルを地球に適用することにより、ε _a ≈0.78の有効なグローバル値が推定されています。 ^{[ 38 ]}

IPCCは、外向き熱放射束（OLR）を239（237～242） W m⁻² ^、地表面熱放射束（SLR）を398（395～400） W m⁻²^と報告している。括弧内の数値は、2015年時点での5～95%信頼区間を示す。これらの値は、大気（雲を含む）が、地表面からの放射量と比較して、地球全体の放射率を239/398 ≈ 0.60倍に減少させることを示している。言い換えれば、宇宙への放射量は次のようになる。${\displaystyle \mathrm {OLR} =\epsilon _{\mathrm {eff} }\,\sigma \,T_{se}^{4}}$どこ$\displaystyle \epsilon _{\mathrm {eff} }\approx 0.6$は宇宙から見た地球の実効放射率であり、${\displaystyle T_{\mathrm {se} }\equiv \left[\mathrm {SLR} /\sigma \right]^{1/4}\approx }$表面の実効温度は289 K（16 °C、61 °F） である。 ^{[ 39 ]： 934}