Радиационное охлаждение [1] - это процесс, при котором тело теряет тепло из-за теплового излучения . Как описывает закон Планка , каждое физическое тело спонтанно и непрерывно испускает электромагнитное излучение .
Земное радиационное охлаждение
Механизм
Инфракрасное излучение может проходить через сухой чистый воздух в диапазоне длин волн 8–13 мкм. Материалы, которые могут поглощать энергию и излучать ее в этих длинах волн, обладают сильным охлаждающим эффектом. Материалы, которые также могут отражать 95% или более солнечного света в диапазоне от 200 нанометров до 2,5 мкм, могут охлаждаться даже под прямыми солнечными лучами. [2]
Энергетический бюджет Земли
Система Земля-атмосфера использует радиационное охлаждение для излучения длинноволнового ( инфракрасного ) излучения, чтобы сбалансировать поглощение коротковолновой (видимого света) энергии Солнца.
Конвективный перенос тепла и испарительный перенос скрытого тепла важны для отвода тепла от поверхности и его распределения в атмосфере. Чистый перенос излучения более важен выше в атмосфере. Суточные и географические колебания еще больше усложняют картину.
Масштабная циркуляция атмосферы Земли вызвана разницей в поглощенной солнечной радиации на квадратный метр, поскольку Солнце больше нагревает Землю в тропиках , в основном из-за геометрических факторов. Атмосферная и океаническая циркуляция перераспределяет часть этой энергии в виде явного тепла и скрытого тепла частично через средний поток и частично через водовороты, известные как циклоны в атмосфере. Таким образом, тропики излучают в космос меньше, чем если бы не было циркуляции, а полюса излучают больше; однако в абсолютном выражении тропики излучают больше энергии в космос.
Ночное охлаждение поверхности
Радиационное охлаждение обычно наблюдается в безоблачные ночи, когда тепло излучается в космос с поверхности Земли или от кожи человека-наблюдателя. Эффект хорошо известен астрономам-любителям . Эффект можно ощутить, сравнив температуру кожи, глядя прямо в безоблачное ночное небо в течение нескольких секунд, с температурой после помещения листа бумаги между лицом и небом. Поскольку космическое пространство излучает примерно при температуре 3 кельвина (-270 градусов по Цельсию или -450 градусов по Фаренгейту ), а лист бумаги излучает около 300 кельвинов (комнатная температура), лист бумаги излучает больше тепла на лицо, чем это делает. темный космос. Эффект ослабляется атмосферой, окружающей Землю, и особенно содержащимся в ней водяным паром, поэтому видимая температура неба намного выше, чем в космосе. Простыня не блокирует холода; вместо этого лист отражает тепло к лицу и излучает тепло лица, которое оно только что впитало.
Же механизм радиационного охлаждения может привести к морозу или черному лед с образованием на поверхностях , подверженных ясное ночное небо, даже когда температура окружающей среды не опускается ниже точки замерзания.
Оценка Кельвином возраста Земли
Термин радиационное охлаждение обычно используется для локальных процессов, хотя те же принципы применимы к охлаждению в течение геологического времени, которое впервые было использовано Кельвином для оценки возраста Земли (хотя его оценка игнорировала значительное количество тепла, выделяемого при распаде радиоизотопа, неизвестно в то время, и эффекты конвекции в мантии).
Астрономия
Радиационное охлаждение - один из немногих способов, с помощью которых объект в космосе может выделять энергию. В частности, белые карлики больше не вырабатывают энергию за счет синтеза или гравитационного сжатия и не имеют солнечного ветра. Так что единственный способ их изменения температуры - радиационное охлаждение. Это делает их температуру как функцию возраста очень предсказуемой, поэтому, наблюдая за температурой, астрономы могут определить возраст звезды. [3] [4]
Приложения
Ночное производство льда в ранней Индии и Иране
В Индии до изобретения технологии искусственного охлаждения производство льда путем ночного охлаждения было обычным явлением. Аппарат состоял из неглубокого керамического лотка с тонким слоем воды, установленного на открытом воздухе с ясным освещением ночного неба. Дно и борта утеплили толстым слоем сена. В ясную ночь вода теряла тепло за счет излучения вверх. При условии, что воздух был спокойным и не слишком сильно превышал температуру замерзания, приток тепла из окружающего воздуха за счет конвекции был достаточно низким, чтобы вода могла замерзнуть. [5] [6] Подобный метод использовался в Иране. [7]
Архитектура
Холодные крыши сочетают в себе высокий коэффициент отражения солнечного света с высоким коэффициентом излучения инфракрасного излучения , тем самым одновременно уменьшая приток тепла от солнца и увеличивая отвод тепла за счет излучения. Таким образом, радиационное охлаждение открывает возможности для пассивного охлаждения жилых и коммерческих зданий. [8] Традиционные строительные поверхности, такие как лакокрасочные покрытия, кирпич и бетон, имеют высокий коэффициент излучения до 0,96. [9] Следовательно, они излучают тепло в небо, чтобы пассивно охлаждать здания в ночное время. Если сделать эти материалы достаточно отражающими солнечный свет, они также могут охладиться излучением в течение дня.
Наиболее распространенными радиационными охладителями зданий являются белые покрытия для холодных крыш, которые имеют коэффициент отражения солнечного света до 0,94 и коэффициент теплового излучения до 0,96. [10] Солнечная отражательная способность красок возникает из-за оптического рассеяния диэлектрическими пигментами, внедренными в полимерную краску, а тепловая эмиссия возникает из-за полимерной смолы. Однако, поскольку типичные белые пигменты, такие как диоксид титана и оксид цинка, поглощают ультрафиолетовое излучение, коэффициент отражения солнечного света у красок на основе таких пигментов не превышает 0,95.
В 2014 году исследователи разработали первый дневной радиационный охладитель, использующий многослойную тепловую фотонную структуру, которая избирательно испускает длинноволновое инфракрасное излучение в космос и может обеспечить охлаждение ниже температуры окружающей среды на 5 ° C под прямыми солнечными лучами. [11] Позже исследователи разработали окрашиваемые пористые полимерные покрытия, поры которых рассеивают солнечный свет, что дает коэффициент отражения солнечного света 0,96-0,99 и коэффициент теплового излучения 0,97. [12] В экспериментах под прямыми солнечными лучами покрытия достигают температуры ниже 6 ° C и охлаждающей способности 96 Вт / м 2 .
Другие известные стратегии радиационного охлаждения включают диэлектрические пленки на металлических зеркалах [13] и полимерные или полимерные композиты на серебряных или алюминиевых пленках. [14] Посеребренные полимерные пленки с коэффициентом отражения солнечного света 0,97 и тепловым излучением 0,96, которые остаются на 11 ° C ниже, чем коммерческие белые краски под солнцем середины лета, были опубликованы в 2015 году. [15] Исследователи изучали конструкции с диэлектрическим диоксидом кремния или Частицы карбида кремния, встроенные в полимеры, которые являются полупрозрачными в солнечных длинах волн и излучающими в инфракрасном диапазоне. [16] [17] В 2017 году сообщалось о примере этой конструкции с резонансными полярными микросферами кремнезема, случайно встроенными в полимерную матрицу. [18] Материал прозрачен для солнечного света и имеет коэффициент излучения инфракрасного излучения 0,93 в окне пропускания инфракрасного излучения в атмосферу. При нанесении серебряного покрытия материал достиг полуденной мощности радиационного охлаждения 93 Вт / м 2 под прямыми солнечными лучами, а также высокопроизводительного и экономичного производства с рулона на рулон.
Тепловые экраны
Покрытия с высоким коэффициентом излучения , способствующие радиационному охлаждению, могут использоваться в многоразовых системах тепловой защиты (СДПТ) космических аппаратов и гиперзвуковых летательных аппаратов. В таких теплозащитных экранах на теплоизолирующую керамическую подложку наносится материал с высокой излучательной способностью, такой как дисилицид молибдена (MoSi 2 ). [19] В таких теплозащитных экранах необходимо поддерживать высокий уровень общей излучательной способности , обычно в диапазоне 0,8–0,9, в диапазоне высоких температур. Закон Планка гласит, что при более высоких температурах пик излучения смещается в сторону более низких длин волн (более высоких частот), что влияет на выбор материала в зависимости от рабочей температуры. В дополнение к эффективному радиационному охлаждению системы радиационной тепловой защиты должны обеспечивать устойчивость к повреждениям и могут включать в себя функции самовосстановления за счет образования вязкого стекла при высоких температурах.
Смотрите также
- Тепловой экран
- Оптический солнечный отражатель , используемый для теплового контроля космических аппаратов.
- Пассивное охлаждение
- Радиационное воздействие
- Закон Стефана – Больцмана
- Эффект земного альбедо
- Городской остров тепла
- Городской термальный шлейф
Рекомендации
- ^ Ли, Вэй; Фань, Шанхой (1 ноября 2019 г.). «Радиационное охлаждение: использование холода Вселенной». Новости оптики и фотоники . 30 (11): 32. DOI : 10,1364 / OPN.30.11.000032 .
- ^ Лим, Сяо Чжи (31 декабря 2019). «Супер-крутые материалы, излучающие тепло в космос» . Природа . 577 (7788): 18–20. DOI : 10.1038 / d41586-019-03911-8 . PMID 31892746 .
- ^ Местель, Л. (1952). «К теории белых карликов. I. Источники энергии белых карликов» . Ежемесячные уведомления Королевского астрономического общества . 112 (6): 583–597. Bibcode : 1952MNRAS.112..583M . DOI : 10.1093 / MNRAS / 112.6.583 .
- ^ «Охлаждение белых карликов» (PDF) .
- ^ «Урок 1: История холода, версия 1 ME» (PDF) . Индийский технологический институт Харагпур . Архивировано из оригинального (PDF) 16 декабря 2011 года.
- ^ «XXII. Процесс изготовления льда в Ост-Индии. Сэр Роберт Баркер, ФРС в письме доктору Броклсби» . Философские труды Лондонского королевского общества . 65 : 252–257. 1997. DOI : 10.1098 / rstl.1775.0023 . JSTOR 106193 .
- ^ «Персидский ледяной дом, или как сделать лед в пустыне» . Полевое исследование мира . 2016-04-04 . Проверено 28 апреля 2019 .
- ^ Hossain, Md Muntasir; Гу, Мин (04.02.2016). «Радиационное охлаждение: принципы, прогресс и возможности» . Передовая наука . 3 (7): 1500360. DOI : 10.1002 / advs.201500360 . PMC 5067572 . PMID 27812478 .
- ^ «Материалы с коэффициентами излучения» . www.engineeringtoolbox.com . Проверено 23 февраля 2019 .
- ^ «Найти продукты с рейтингом - Совет по рейтингам Cool Roof» . coolroofs.org . Проверено 23 февраля 2019 .
- ^ Raman, Aaswath P .; Анома, Марк Абу; Чжу, Линьсяо; Рефаэли, Эдем; Фань, Шанхой (ноябрь 2014 г.). «Пассивное радиационное охлаждение ниже температуры окружающего воздуха под прямыми солнечными лучами». Природа . 515 (7528): 540–544. Bibcode : 2014Natur.515..540R . DOI : 10,1038 / природа13883 . PMID 25428501 .
- ^ Мандал, Джйотирмой; Фу, Янке; Овервиг, Адам; Цзя, Минсинь; Сан, Керуи; Ши, Норман Нан; Ю, Нанфан; Ян, Юань (19 октября 2018 г.). «Иерархически пористые полимерные покрытия для высокоэффективного пассивного дневного радиационного охлаждения» . Наука . 362 (6412): 315–319. Bibcode : 2018Sci ... 362..315M . DOI : 10.1126 / science.aat9513 . PMID 30262632 .
- ^ Гранквист, CG; Хьортсберг, А. (июнь 1981 г.). «Радиационное охлаждение до низких температур: общие соображения и применение для селективного испускания пленок SiO». Журнал прикладной физики . 52 (6): 4205–4220. Bibcode : 1981JAP .... 52.4205G . DOI : 10.1063 / 1.329270 .
- ^ Гренье, доктор философии (январь 1979 г.). "Réfrigération излучающая. Обратный эффект серра" . Revue de Physique Appliquée . 14 (1): 87–90. DOI : 10.1051 / rphysap: 0197900140108700 .
- ^ Нежный, Ангус Р.; Смит, Джефф Б. (сентябрь 2015 г.). «Субсферная открытая поверхность крыши под солнцем середины лета» . Передовая наука . 2 (9): 1500119. DOI : 10.1002 / advs.201500119 . PMC 5115392 . PMID 27980975 .
- ^ Нежный, AR; Смит, Великобритания (10 февраля 2010 г.). «Радиационная перекачка тепла с Земли с использованием наночастиц с поверхностным фононным резонансом». Нано-буквы . 10 (2): 373–379. Bibcode : 2010NanoL..10..373G . DOI : 10.1021 / nl903271d . PMID 20055479 .
- ^ WO 2016205717A1 , Ю, Nanfang; Мандалал, Джотирмой; Овервиг, Адам и Ши, Норман Нан, «Системы и методы радиационного охлаждения и обогрева», выпущенный 17 июня 2016 г.
- ^ Чжай, Яо; Ма, Яогуанг; Дэвид, Сабрина Н .; Чжао, Дунлян; Лу, Раннан; Тан, банда; Ян, Ронггуи; Инь, Сяобо (10.03.2017). «Масштабируемый рандомизированный гибридный метаматериал стекло-полимер для дневного радиационного охлаждения» . Наука . 355 (6329): 1062–1066. Bibcode : 2017Sci ... 355.1062Z . DOI : 10.1126 / science.aai7899 . PMID 28183998 .
- ^ Шао, Гаофэн; и другие. (2019). «Повышенная стойкость к окислению покрытий с высоким коэффициентом излучения на волокнистой керамике для многоразовых космических систем». Коррозионная наука . 146 : 233–246. arXiv : 1902.03943 . DOI : 10.1016 / j.corsci.2018.11.006 .