Selleks et soojus saaks levida soojusjuhtivuse või konvektsiooni teel, peab olemas olema aine, st tahkis, vedelik või gaas. Kui ainet ei ole, levib soojus teisiti. Aga kuidas?
Soojuskiirgus
Soojuskiirgus[mõiste: soojuskiirgus – soojusülekanne, kus siseenergia levib elektromagnetlainete kiirgumise ja neeldumise tõttu] on soojusülekanne, mille käigus levib siseenergia ühelt kehalt teisele elektromagnetlainete[mõiste: elektromagnetlaine – ruumis leviv elektri- ja magnetvälja perioodiline muutumine, mis kannab edasi energiat (ka valgus on elektromagnetlaine)] kiirgumise ja neeldumise teel. Soojuskiirguse nimetus tuleb sellest, et kiirguse tekkimiseks vajalik ergastusenergia[joonealune: energia, mis tuleb aatomile anda, et viia see ergastatud olekusse] saadakse molekulide soojusliikumisest tingitud põrgetest. On olukordi, kus ainus võimalus soojusülekandeks on soojuskiirgus. Näiteks levib energia Päikeselt Maale ainult kiirguse teel, sest avakosmoses pole ainet, mis võiks põhjustada soojusjuhtivust või konvektsiooni. Päikese soojusenergia levib meieni ainult kiirguse ehk elektromagnetlainetena.
Soojuskiirgust kiirgavad kõik kehad, olenemata temperatuurist. Kui keha temperatuur on alla 600 °C, siis me tekkivat soojuskiirgus ei näe, seda nimetatakse infrapunakiirguseks[mõiste: infrapunakiirgus – inimsilmale nähtamatu elektromagnetlaine, mille lainepikkus on suurem nähtava valguse lainepikkusest] või infravalguseks. Kui temperatuur tõuseb üle 600 °C, hakkavad kehad peale infravalguse kiirgama ka nähtavat valgust[joonealune: valgus, mida meie silmad tajuvad, st mille lainepikkus jääb vahemikku 380–760 nm]. Antud temperatuur pole tegelikult piir, millest madalamal temperatuuril kehad nähtavat valgust ei kiirga, aga alates sellest muutub nähtav valgus nii tugevaks, et seda on võimalik palja silmaga näha. Selle temperatuuri juures näeme, et keha hõõgub tumepunaselt. Selleks et keha kiirgaks nagu hõõglamp, peab selle temperatuur olema 2500–3000 °C.
Soojuskiirguse levimist takistavad selle teele ette jäävad läbipaistmatud kehad. Seda on lihtne kontrollida, kui istuda küdeva kamina või ahju ees, mille läbipaistmatu uks on avatud. Kui uks kinni panna, ei ole meil enam nii soe, sest kiirgus ei jõua meieni. Kui soojuskiirgus kohtub aine või kehaga, millest ta läbi ei tungi ja tagasi ei peegeldu, siis muutub kiirguse energia selle keha siseenergiaks, st kiirgus neeldub[mõiste: kiirguse neeldumine – nähtus, mille korral muutub kehale langeva kiirguse energia keha siseenergiaks]. Praktika näitab, et tumedad kehad neelavad soojuskiirgust paremini kui heledad kehad.
Aga miks on must keha hea kiirguse neelaja? Põhjus ongi see, et ta on must, sest must tähendab seda, et kogu kehale langev kiirgus jääb kehasse, mitte ei peegeldu meile silma. Must keha on ka hea kiirgaja. Hele keha on aga hea peegeldaja ja halb kiirgaja. Kui see nii ei oleks, oleksid näiteks toas kõik tumedad kehad soojemad kui heledad, sest nad neelavad kiirgust paremini. Aga nii heledad kui ka tumedad kehad on toas ühesuguse temperatuuriga. Järelikult tumedad kehad ka kiirgavad paremini kui heledad kehad.
- Hoian käes kuuma teetassi ja kätel hakkab soe.
- Põrandakütte tõttu tekib toas sooja ja külma õhu ringlus.
- Päike soojendab veekogu pinda.
- Istun lõkke ääres ja mul hakkab soe.
- Triigin triikrauaga särki, mis muutub soojaks.
- Kuumal pliidil olevas potis hakkab vesi ringlema.
- Ahjus põlevad puud soojendavad korstna kaudu välisõhku.
- Asetan käe küünlaleegi lähedusse ja käel hakkab soe.
- Panen karastusjoogi jahutamiseks jääga täidetud kaussi.
Mõtle!
- Miks on külmkapid tavaliselt valged või hõbedased?
- Miks suvel eelistatakse kanda heledaid rõivaid?
Lisalugemine. Soojuskiirguse spekter
Soojuskiirgust on mitu liiki: ultraviolettkiirgus, nähtav valgus, infrapunakiirgus. Kõigil neil on erinevad lainepikkused ja toimed. Sellist kiirguse jaotust lainepikkuste järgi nimetatakse spektriks.
Aastaajad
Kõik me teame, et suvel on ilmad soojad ja talvel külmad. Aga miks? Sellepärast, et suvel jõuab meile Päikeselt rohkem soojuskiirgust kui talvel. See on omakorda tingitud asjaolust, et ümber Päikese tiirleva Maa pöörlemistelg on tiirlemistasandi suhtes kaldu.
Maa teeb ühe täistiiru ümber Päikese ühe aastaga. Pool sellest ajast on Maa põhjapoolkera, kus elame meie, kallutatud Päikese poole. Sel ajal on meil suvepoolaasta, mis kestab kevadisest pööripäevast sügiseseni. Teisel, s.o talvisel poolaastal (sügisesest pööripäevast kevadiseni) on põhjapoolkera Päikesest eemale kallutatud. Sel ajal langevad päikesekiired maapinnale suurema langemisnurga all kui suvel ja nii satub neid ühele pinnaühikule vähem. Seetõttu antakse Maa põhjapoolkerale ka vähem energiat ja temperatuur on madalam kui suvel, mil kiired langevad maapinnale väiksema langemisnurga all.
Mõtle!
- Milline aastaaeg on lõunapoolkeral, kui põhjapoolkeral on suvi? Põhjenda.
- Miks tekivad laiuskraadidel üle 66° polaaröö ja polaarpäev?
Lisalugemine. Globaalne soojenemine ja kasvuhooneefekt
Palju räägitakse globaalsest soojenemisest ja kasvuhooneefektist. Globaalne soojenemine tähendab seda, et Maad ümbritseva atmosfääri ja ookeanide keskmine temperatuur tõuseb. See võib viia arktiliste alade mandrijää sulamiseni, mis põhjustaks ülemaailmse veetaseme tõusu. On välja arvutatud, et kui kogu mandrijää ära sulab, siis tõuseb veetase ookeanides ja meredes nii palju, et suur osa Eestist (v.a kõrgustikud) jääksid veel alla.
Kasvuhooneefekti nimetus tuleb sellest, et klaas või kile, millest kasvuhoone on valmistatud, laseb hästi läbi Päikeselt kiirguvat nähtavat valgust, aga ei lase läbi nähtavast valgusest pikema lainepikkusega infrapunakiirgust. Valgus neeldub kasvuhoones olevates taimedes ja mullas ning muundub soojusenergiaks, mis kiirgub omakorda tagasi kasvuhoonesse. Kasvuhooneklaas või -kile ei lase tekkinud pikema lainepikkusega soojuskiirgust (infrapunakiirgust) enam välja, mistõttu õhutemperatuur kasvuhoones tõuseb.
Samasugune keskmise temperatuuri tõus toimub Maal. Ka Päikeselt Maale langev valgus neeldub maapinnas ja kõiges, mis seal on, ning muundub soojuseks. Soojenenud pinnad hakkavad atmosfääri kiirgama soojuskiirgust, täpsemalt infrapunakiirgust. Kuid õhus on gaase, mis ei lase seda läbi. Nendeks on näiteks veeaur, metaan ja süsihappegaas. Kuna need takistavad soojuse levikut samamoodi nagu kasvuhoone klaasid või kile, nimetatakse neid kasvuhoonegaasideks. Need tekivad peamiselt looduslike protsesside tagajärjel, kuid inimtegevuse tõttu on nende hulk õhus viimase paarisaja aasta jooksul pidevalt tõusnud. Peamiselt suureneb süsihappegaasi hulk, sest see tekib kütuste põletamisel.
Jätan meelde
- Soojuskiirgus on soojusülekanne, kus siseenergia levib elektromagnetlainete kiirgamise ja neelamise tõttu.
- Mida kõrgem on keha temperatuur, seda rohkem energiat keha kiirgab.
- Tumedad kehad kiirgavad ja neelavad soojuskiirgust rohkem kui heledad kehad.
- Suvel on Eestis ilm soojem, sest siis jõuab Maa põhjapoolkerale rohkem soojuskiirgust kui talvel. Põhjus on selles, et maakera telg on tiirlemistasandi suhtes kaldu.
