الإشعاع

في علم قياس الإشعاع ، يُعرف الإشعاع بأنه التدفق الإشعاعي الذي تتلقاه مساحة سطح ما . وحدة قياس الإشعاع في النظام الدولي للوحدات هي الواط لكل متر مربع (رمزها W⋅m ⁻² أو W/m² ⁾ . أما وحدة النظام السنتيمتري-الجرامي-الثاني (CGS) فهي الإرج لكل سنتيمتر مربع في الثانية (erg⋅cm ⁻² ⋅s ⁻¹ )، وتُستخدم غالبًا في علم الفلك . يُطلق على الإشعاع أحيانًا اسم الشدة ، ولكن يُتجنب استخدام هذا المصطلح في علم قياس الإشعاع لتجنب الخلط بينه وبين شدة الإشعاع . في الفيزياء الفلكية، يُطلق على الإشعاع اسم التدفق الإشعاعي . ^{[ 1 ]}

الإشعاع الطيفي هو إشعاع سطح ما لكل وحدة تردد أو طول موجي ، وذلك بحسب ما إذا كان الطيف يُؤخذ كدالة للتردد أو الطول الموجي. يختلف الشكلان في الأبعاد والوحدات: يُقاس الإشعاع الطيفي لطيف التردد بالواط لكل متر مربع لكل هرتز (W⋅m ⁻² ⋅Hz ⁻¹ )، بينما يُقاس الإشعاع الطيفي لطيف الطول الموجي بالواط لكل متر مربع لكل متر (W⋅m ⁻³ )، أو بشكل أكثر شيوعًا بالواط لكل متر مربع لكل نانومتر (W⋅m ⁻² ⋅nm ⁻¹ ).

كما أن إشعاع السطح، وفقًا لتعريف التدفق الإشعاعي ، يساوي المتوسط ​​الزمني لمكون متجه بوينتينغ العمودي على السطح:

${\displaystyle E_{\mathrm {e} }=\langle |\mathbf {S} |\rangle \cos \alpha ,}$

أين

• ⟨ • ⟩ هو المتوسط ​​الزمني؛
• S هو متجه بوينتينغ؛
• α هي الزاوية بين متجه الوحدة العمودي على السطح و S.

بالنسبة لموجة كهرومغناطيسية مستوية جيبية مستقطبة خطيًا تنتشر ، يشير متجه بوينتينغ دائمًا إلى اتجاه الانتشار بينما يتذبذب في شدته. ويُعطى إشعاع السطح حينها بالمعادلة ^{[ 3 ].}

${\displaystyle E_{\mathrm {e} }={\frac {n}{2\mu _{0}c}}E_{\mathrm {m} }^{2}\cos \alpha ={\frac {n\varepsilon _{0}c}{2}}E_{\mathrm {m} }^{2}\cos \alpha ={\frac {n}{2Z_{0}}}E_{\mathrm {m} }^{2}\cos \alpha ,}$

أين

• E _m هي سعة المجال الكهربائي للموجة؛
• n هو معامل انكسار وسط الانتشار؛
• c هي سرعة الضوء في الفراغ ؛

• μ ₀ هي نفاذية الفراغ ؛

• ε ₀ هي سماحية الفراغ ؛
  • ${\textstyle c={\frac {1}{\sqrt {\varepsilon _{0}\mu _{0}}}}}$
  • ${\textstyle Z_{0}=\mu _{0}c}$هي مقاومة الفضاء الحر .

تفترض هذه الصيغة أن القابلية المغناطيسية مهملة؛ أي أن μr ≈ ₁ ( μ ≈ μ0 ₎ حيث μr _هي النفاذية المغناطيسية النسبية لوسط الانتشار. هذا الافتراض صحيح عادةً في الأوساط الشفافة ضمن نطاق الترددات الضوئية .

ينتج مصدر ضوئي نقطي جبهات موجية كروية. ويتناسب الإشعاع في هذه الحالة عكسياً مع مربع المسافة من المصدر.

${\displaystyle E={\frac {P}{A}}={\frac {P}{4\pi r^{2}}},}$

أين

• r هي المسافة؛
• P هو التدفق الإشعاعي ؛
• A هي مساحة سطح كرة نصف قطرها r .

للحصول على تقديرات سريعة، تشير هذه المعادلة إلى أن مضاعفة المسافة تقلل الإشعاع إلى الربع؛ أو على نحو مماثل، لمضاعفة الإشعاع، قلل المسافة إلى 71٪.

في علم الفلك، تُعامل النجوم عادةً كمصادر نقطية رغم أنها أكبر بكثير من الأرض. وهذا تقريب جيد لأن المسافة من أقرب نجم إلى الأرض أكبر بكثير من قطر النجم. على سبيل المثال، يبلغ إشعاع نجم ألفا قنطورس أ (التدفق الإشعاعي: 1.5 لتر _شمسي ، المسافة: 4.34 سنة ضوئية ) حوالي 2.7 × 10⁻⁸ ^واط /م² ^على الأرض.

يتكون الإشعاع الشمسي الكلي على سطح أفقي على الأرض من الإشعاع المباشر E _{_e,dir} والإشعاع المنتشر E _{_e,diff} . أما على سطح مائل، فيوجد مكون إشعاعي آخر، E_{_e,refl}، وهو المكون المنعكس من سطح الأرض. يبلغ متوسط ​​انعكاس الإشعاع من سطح الأرض حوالي 20% من الإشعاع الشمسي الكلي. وبالتالي، يتكون الإشعاع E _{_e} على سطح مائل من ثلاثة مكونات: ^{[ 4 ]}

${\displaystyle E_{\mathrm {e} }=E_{\mathrm {e} ,\mathrm {dir} }+E_{\mathrm {e} ,\mathrm {diff} }+E_{\mathrm {e} ,\mathrm {refl} }.}$

يُطلق على مجموع الإشعاع الشمسي خلال فترة زمنية معينة اسم " التعرض الشمسي " أو " الإشعاع الشمسي ". ^{[ 4 ] [ 5 ]}

يبلغ متوسط ​​الإشعاع الشمسي في أعلى الغلاف الجوي للأرض حوالي 1361 واط/م ² ، ولكن الإشعاع على السطح يبلغ حوالي 1000 واط/م ² في يوم صافٍ.