Odraz infračerveného záření u skla a zdi

Proč sklo s emisivitou 0,9 vykazuje ostrý odraz okolí, zatímco zeď s podobnou emisivitou nikoli?

V oblasti termografie a fyziky tepelného záření se opakovaně objevuje otázka, která na první pohled působí paradoxně: jak je možné, že sklo s emisivitou přibližně 0,9 vykazuje velmi ostré, zrcadlové odrazy okolních objektů, zatímco zeď nebo omítka s prakticky stejnou emisivitou žádný takový odraz nevykazuje?

Intuitivní představa bývá jednoduchá: vysoká emisivita = „neodrazivý povrch“. Jenže právě tato představa je zavádějící. Ve skutečnosti totiž emisivita sama o sobě neříká nic o tom, zda a jak uvidíme odraz. Rozhodující roli zde hraje něco jiného: charakter odrazu a povrchová struktura materiálu ve vztahu k vlnové délce infračerveného záření.

Co emisivita skutečně znamená (a co ne)

Emisivita je fyzikální veličina, která popisuje, jak účinně povrch vyzařuje tepelné infračervené záření ve srovnání s ideálním černým tělesem. Pro danou vlnovou délku a směr platí Kirchhoffův zákon, podle něhož je emisivita rovna absorbanci.

To má důležitý, ale často špatně interpretovaný důsledek:
emisivita říká, kolik záření se absorbuje a následně může být vyzářeno, nikoli jak se odražené záření prostorově rozděluje.

Celková bilance dopadajícího záření je vždy:

část se absorbuje (→ souvisí s emisivitou),
část se odrazí,
část se případně propustí (u LWIR skla prakticky zanedbatelné).

U běžného okenního skla v oblasti 8–14 µm je prostup minimální, takže platí, že dopadající LWIR záření se buď absorbuje, nebo odrazí. Sklo s emisivitou 0,9 tedy stále odráží přibližně 10 % dopadající energie. To samo o sobě není nijak výjimečné – podobně se chová i omítka. Rozdíl je v tom, jakým způsobem se těch 10 % odrazí.

Dlouhovlnné infračervené záření a měřítko povrchové drsnosti

Dlouhovlnné infračervené záření (LWIR), které zachycují běžné termokamery, má vlnovou délku zhruba 8–14 µm, typicky kolem 10 µm. Právě tato hodnota je klíčová.

Chování povrchu vůči elektromagnetickému záření zásadně závisí na tom, zda je jeho mikroskopická drsnost malá, nebo velká ve srovnání s vlnovou délkou.

Pokud je povrchová drsnost výrazně menší než vlnová délka, povrch se chová jako opticky hladký.
Pokud je drsnost srovnatelná nebo větší než vlnová délka, povrch je opticky drsný.

A právě zde se zásadně rozcházejí vlastnosti skla a zdi.

Sklo: opticky hladké i pro LWIR

Běžné sklo má povrchovou drsnost v řádu desítek nanometrů. To je o dva až tři řády méně než vlnová délka LWIR. Z pohledu infračerveného záření je tedy sklo extrémně hladké, a to i přesto, že pro lidské oko už „hladší“ být nemůže.

Důsledkem je, že odraz LWIR záření na skle je převážně spekulární, tedy zrcadlový. Záření se odráží podle zákona odrazu, zůstává prostorově uspořádané a míří do přesně definovaného směru. Termokamera tak může zachytit ostrý obraz teplých objektů, které se ve skle „zrcadlí“ – radiátory, lidské postavy, nebo třeba chladnou oblohu.

Tento jev často vede k mylnému závěru, že sklo má „nízkou emisivitu“ nebo že „hodně odráží teplo“. Ve skutečnosti sklo současně dobře absorbuje i dobře odráží, jen odraz není rozptýlený, ale směrový.

Zeď: extrémně drsný povrch v měřítku LWIR

Omítka, beton nebo cihla mají povrchovou strukturu zcela jiného charakteru. Jejich mikroskopická drsnost se pohybuje v řádu desítek až stovek mikrometrů, tedy výrazně více než je vlnová délka LWIR.

Pro infračervené záření je takový povrch silně členitý a chaotický. Každý mikroskopický výstupek nebo pór odráží záření jiným směrem. Výsledkem je difúzní odraz, při kterém se energie rozptýlí do širokého prostorového úhlu.

Z praktického hlediska to znamená, že žádný směr neobsahuje dostatečně velkou část odražené energie, aby vznikl pozorovatelný obraz. Termokamera tak uvidí především vlastní emisi povrchu, nikoli odrazy okolních objektů.

Proč stejná emisivita vede k tak rozdílnému vjemu

Zásadní je pochopit, že emisivita neříká nic o tom, zda povrch „zrcadlí“. Říká pouze, jaký je poměr mezi absorpcí a emisí. To, zda odraz vytvoří ostrý obraz, nebo se „ztratí“, závisí na:

mikrogeometrii povrchu,
její statistické struktuře,
a poměru této struktury k vlnové délce záření.

Sklo i zeď mohou mít emisivitu 0,9, ale zatímco sklo odráží zbývajících 10 % energie usměrněně, zeď je odráží rozptýleně. V jednom případě je odraz viditelný a rušivý, ve druhém prakticky nepozorovatelný.

Praktický význam pro termografii

Tento rozdíl má zásadní praktické důsledky. Skleněné povrchy jsou v termografii problematické nikoli proto, že by „špatně vyzařovaly“, ale proto, že se chovají jako infračervená zrcadla. Termokamera pak často měří teplotu odraženého objektu místo samotného skla.

Naopak omítky, betony a další stavební materiály jsou z hlediska měření mnohem „vděčnější“, protože jejich difúzní odraz minimalizuje vliv okolních zdrojů záření.

Závěrečné shrnutí

Rozdíl mezi sklem a zdí při stejné emisivitě není v rozporu s fyzikou, ale je jejím přímým důsledkem.

Sklo má v LWIR vysokou emisivitu, ale zároveň opticky hladký povrch, který vede ke spekulárnímu odrazu. Zeď má podobnou emisivitu, ale opticky extrémně drsný povrch, který způsobuje difúzní rozptyl.

Jinými slovy:
emisivita určuje, kolik záření povrch vyzařuje, zatímco povrchová struktura určuje, zda uvidíme odraz.