miniatur|hochkant=1.5|Intensität der Schwarzkörperstrahlung in Abhängigkeit von der Wellenlänge bei unterschiedlichen Temperaturen (Skalen logarithmisch). Der farbige Balken markiert den Bereich sichtbaren Lichts. Die Kurve für die Sonnenstrahlung an der Sonnenoberfläche ist beige, für die Umgebungstemperatur an der Erdoberfläche rot. Man beachte die starke Zunahme der Intensität mit der Temperatur und die Verschiebung des Maximums zu kürzeren Wellenlängen.
Wärmestrahlung oder auch thermische Strahlung, seltener Temperaturstrahlung, ist elektromagnetische Strahlung, die am Ort ihrer Entstehung im thermischen Gleichgewicht mit Materie ist. Bei Temperaturen oberhalb des absoluten Nullpunkts bewegen sich in Materie geladene Teilchen ungeordnet durcheinander, werden abgelenkt, beschleunigt oder abgebremst und emittieren oder absorbieren dabei Wärmestrahlung. Daher strahlt jeder Körper mit einer Temperatur oberhalb des absoluten Nullpunkts Wärme ab.
Bei Körpern, die nach Alltagsmaßstäben „heiß“ sind, aber noch nicht glühen, liegt die Wärmestrahlung weitgehend im unsichtbaren nahinfraroten Bereich. Dementsprechend wird umgangssprachlich unter Wärmestrahlung meist nur diese infrarote Strahlung verstanden. Mit steigender Temperatur verschiebt sich das Intensitätsmaximum zu immer kürzeren Wellenlängen. Bei der Temperatur der Sonnenoberfläche z. B. liegt ein großer Teil der Intensität im sichtbaren Bereich mit Ausläufern bis ins Ultraviolett. Die Wärmestrahlung der Erde hingegen liegt, ihrer Oberflächentemperatur entsprechend, bei erheblich größeren Wellenlängen vor allem im mittleren Infrarot.
Wärmestrahlung wird von allen Festkörpern, Flüssigkeiten, Gasen und Plasmen emittiert, die sich bei einer Temperatur oberhalb des absoluten Nullpunktes befinden. Genauso nimmt jeder Körper gleichzeitig durch Absorption die von anderen Körpern ausgesendete Wärmestrahlung auf (siehe dazu Strahlungsaustausch), die Summe aus Wärmestrahlungsemission und -absorption wird Strahlungsbilanz genannt.
Die höchste Wärmestrahlungsemission (und -absorption) zeigt bei allen Wellenlängen und Temperaturen der ideale Schwarze Körper. Die von ihm emittierte Strahlung wird als Schwarzkörperstrahlung bezeichnet. Das plancksche Strahlungsgesetz beschreibt die Intensität der Schwarzkörperstrahlung in Abhängigkeit von der Wellenlänge und der Temperatur. Dieses theoretische Maximum wird von realen Körpern nicht vollständig erreicht.
Emission und Absorption von Wärmestrahlung ist neben Konvektion und Wärmeleitung ein Weg zur Übertragung von Wärme, im Vakuum ist es der einzige Übertragungsweg.
Geschichte Das Konzept von wärmenden Strahlen war bereits in der Antike bekannt, siehe die (Legende der) Brennspiegel des Archimedes (3. Jh. v. Chr. bzw. 2. Jh. n. Chr.). „Heilige Feuer“ wurden mit fokussiertem Sonnenlicht entzündet. Eine detaillierte Übersicht früher experimenteller Arbeiten und theoretischer Argumente zur Klassifikation jener Strahlen bietet Klaus Hentschel: Unsichtbares Licht? Dunkle Wärme? …, Diepholz: GNT-Verlag 2007. Im 16. Jh. zeigten Giambattista della Porta die „Reflexion von Kälte“ und Francis Bacon, dass auch von lediglich heißen, nicht glühenden oder brennenden Körpern Wärmestrahlen ausgehen,E.S. Cornell: Early studies in radiant heat. Annals of Science 1, 1936, doi:10.1080/00033793600200171. und im 17. Jh. blockierte Edme Mariotte diese unsichtbare Strahlung mit einer Glasscheibe.Histoire de l'Academie Royale des Sciences, Band 1, 1666–1686. Paris, 1733, . Zur Temperaturmessung dienten Thermoskope, mit Luft und etwas Flüssigkeit gefüllte Glasrundkolben mit Steigröhrchen zur Temperaturanzeige.
Diese Experimente wurden oft wiederholt und verfeinert, sodass die Meinungen auseinandergehen, wer zuerst einen Effekt überzeugend demonstriert hat. Schüler und Anhänger Galileo Galileis in der Accademia del Cimento versuchten 1660 vermeintliche Kältestrahlen eines großen Haufen Schnees nachzuweisen. Sie sahen einen deutlichen Temperaturanstieg, wenn sie den auf den Schnee gerichteten Hohlspiegel, in dessen Fokus sich das Thermoskop befand, abdeckten, da dann Wärmestrahlung und Lufttemperatur der Umgebung gemessen wurden. Die Experimentatoren merkten an, dass der Schnee auch anders als über Strahlung auf das Thermoskop gewirkt haben könnte.Saggi di Naturali Esperienze fatte nell'Accademia del Cimento sotto la protezione del Serenissimo Principe Leopoldo di Toscana e descritto dal segretario Lorenzo Magalotti. Cecchi, Florenz 1667.
Marc-Auguste Pictet und Horace-Bénédict de SaussureJames Evans, Brian Popp: Pictet’s experiment: The apparent radiation and reflection of cold. Am. J. Phys. 53, 1985, doi:10.1119/1.14305 (online). brachten 1790 ein kleines kaltes Objekt in den Fokus zweier aufeinander ausgerichteter Hohlspiegel und beobachteten auch bei etlichen Metern voneinander entfernten Spiegeln einen Effekt.Marc-August Pictet: Essai sur le feu. Genf, 1790.
Carl Wilhelm Scheele wies 1777 auf weitere Beobachtungen hin:Carl Wilhelm Scheele: Chemische Abhandlung von der Luft und dem Feuer. Upsala und Leipzig, 1777, Abschnitte 56 und 57, .1777 Der schwedische Chemiker Karl Wilhelm Scheele (1742-1780) entdeckte die strahlende Wärme, die sich mit großer (nämlich Licht-) Geschwindigkeit fortpflanzt, ohne das dazwischen liegende Medium zu erwärmen. Quelle: Schlag nach Natur, Bibliographisches Institut Leipzig 1954, Autoren: Lexikonredaktion S. 191. Gegen den starken Luftzug des Kamineffekts kommt die Wärmestrahlung zur Ofentüre heraus und wird auch nicht durch quer strömende Luft abgelenkt. Umgekehrt steigt Rauch durch den Strahl völlig unberührt auf und Sonnenstrahlen queren den Strahl ohne Schlierenbildung. Metallene Spiegel werden bei der Reflexion der von ihm so genannten „strahlenden Hitze“ nicht warm, durch einen warmen Luftstrom dagegen schon.
Im 18. und frühen 19. Jahrhundert gab es über die Eigenschaften der strahlenden Hitze verschiedene Vorstellungen, deren Anhänger sich grob in Emissionisten und Undulateure einteilen lässt. Für erstere gaben warme, teilweise auch kalte Körper etwas Stoffliches ab, für letztere gab es ein Medium, das Schwingungen übertrug. Pictet tendierte zur gerichteten Emission einer Feuersubstanz vom heißen zum kalten Körper, die zwischen gleich warmen Körpern im Sinne eines statischen Gleichgewichts der sogenannten thermometrischen Spannung zum Erliegen kommt. Er räumte aber ein, dass die Schwingungshypothese sein Experiment ebenso gut erklären könne. Pierre Prevost war ebenfalls Emissionist, sprach aber von Hitzepartikeln, die alle Körper ständig aussenden, und dass „die stärkeren Wärmestrahlen heißerer Körper die schwächeren [Wärmestrahlen] kälterer [Körper] überwinden“.Pierre Prevost: Mémoire sur l'équilibre du feu. Journal de Physique 38, 1791. Danach gäbe es keine Kältestrahlung, sondern nur stärkere oder schwächere Wärmestrahlung.
Benjamin Thompson alias Count Rumford war zeitlebens Undulateur. Er hielt es für unmöglich, dass ein Körper gleichzeitig Hitzesubstanz sowohl empfangen und aufnehmen als auch forttreiben könnte.Rumford: Inquiry. Collected Works, Vol. I, S. 421f, Zitat nach Evans&Popp 1985: . Er führte auch einen vermeintlich überzeugenden experimentellen Befund an. Er hatte entdeckt, dass ein dünnes Leinentuch um einen blanken Metallzylinder (oder ein dünner Anstrich mit Firnis, eine Rußschicht etc.) diesen schneller abkühlen ließ, indem es die Wärmeabstrahlung verstärkte. Gleiches galt für einen sich erwärmenden kalten Zylinder und die vermeintliche Kältestrahlung. Er hatte ein besonders empfindliches differenzielles Thermoskop (nach John LeslieFußnote 26 in Evans&Popp) aus zwei mit einer Kapillare verbundenen Glaskugeln, eine als Referenz, die andere mittig zwischen einem heißen und einem kalten Zylinder (Raumtemperatur 22 °C). Die Zylinder waren beide blank oder beide berußt. In beiden Fällen zeigte das Thermoskop keinen Ausschlag, was zwanglos zu der Hypothese der sich kompensierenden Wärme- und Kältestrahlen passte.Benjamin Graf von Rumford: Mémoires sur la chaleur. Französisch von Pictet, Genf und Paris, 1804, . Er erkannte nicht, dass glänzendes Metall nicht nur weniger Wärmestrahlung emittiert, sondern im gleichen Verhältnis auch weniger Strahlung absorbiert, den Rest reflektiert. Diese Entsprechung ist der Inhalt des erst 1859 formulierten Kirchhoffschen Strahlungsgesetzes. Unter Berücksichtigung dieses Effekts sind Rumfords Experimente im Einklang mit Prévosts (zutreffender) Hypothese.
In den ersten Dekaden des 19. Jahrhunderts erhärtete sich der Verdacht der Lichtnatur der Wärmestrahlung.Dionysius Lardner: Treatise on heat. Longman, 1833, Kap. XII Radiation, . Wilhelm Herschel untersuchte 1800 mit einem Gasthermometer ein mittels Prisma erzeugtes Sonnenspektrum und fand die stärkste Temperaturerhöhung im dunklen Bereich jenseits von Rot. Andere Forscher fanden das Maximum an verschiedenen Stellen. Thomas Johann Seebeck entdeckte 1820, dass das am Material des Prismas lag.ES Cornell: The radiant heat spectrum from Herschel to Melloni.—I. The work of Herschel and his contemporaries. Annals of Science 3, 1938, doi:10.1080/00033793800200801. Zwei Deutungsmöglichkeiten: Das Sonnenlicht enthält sowohl sichtbare als auch Wärmestrahlung (und am anderen Ende des Spektrums chemische Strahlung, siehe Johann Wilhelm Ritter), die sämtlich vom Prisma aufgespalten werden. Oder das Sonnenlicht hat alle drei Eigenschaften in unterschiedlichem Ausmaß, je nach Lage im Spektrum. Jacques Étienne Bérard studierte (zuerst noch zusammen mit Étienne Louis Malus) die Doppelbrechung von Licht und fand,S. 305f in Lardner 1833 dass unabhängig vom Nachweis der Strahlung (chemisch, visuell, thermisch) Polarisation auftrat, in der gleichen Polarisationsrichtung, und die Doppelbrechungswinkel (bei gegebener Position im Spektrum) übereinstimmten, was für die (zutreffende) zweite Hypothese sprach.
Das Kirchhoffsche Gesetz macht noch keine Aussage darüber, wie die Wärmestrahlung von der Temperatur abhängt. Die Suche nach einer Formel, die diese Lücke der Erkenntnis schließt, stellte sich als fruchtbar für den Fortschritt der Physik heraus. Aus Experimenten und theoretischen Überlegungen fand man mit dem Stefan-Boltzmann-Gesetz und dem Wienschen Verschiebungsgesetz einzelne Eigenschaften der gesuchten Formel. Um 1900 wurde mit dem Wienschen Strahlungsgesetz zunächst eine Näherungsformel für hohe Temperatur und wenige Jahre später mit dem Rayleigh-Jeans-Gesetz eine Näherungsformel für niedrige Temperatur gefunden. Max Planck gelang schließlich die Vereinigung der Aussagen dieser Gesetze zum planckschen Strahlungsgesetz für Schwarze Körper. Bei der Herleitung dieser Formel tat Max Planck, ohne es beabsichtigt zu haben, die ersten Schritte auf dem Weg zur Entwicklung der Quantenmechanik.
Entstehung Wärmestrahlung ist ein makroskopisches Phänomen, an ihrer Entstehung sind notwendigerweise eine Vielzahl von Teilchen und elementaren Anregungen beteiligt. Einem einzelnen mikroskopischen Teilchen des strahlenden Körpers kann man keine Temperatur zuordnen, es kann nicht thermisch strahlen. Auf den genauen Mechanismus dieser Prozesse kommt es dabei nicht an. Für jeden Mechanismus ist das entstehende Spektrum thermisch, wenn nur die für thermische Anregung charakteristische Energie an die für den Mechanismus typischen Energiestufen heranreicht oder sie übertrifft ( ist die Boltzmann-Konstante und die Temperatur des strahlenden Körpers). Andernfalls wäre dieser Mechanismus entweder nicht beteiligt oder seine Anregung nicht thermisch.