How big is Wellenlänge von infrarotem Licht?

Infrarotlicht ist Licht mit Wellen, die zu lang sind, um vom menschlichen Auge gesehen zu werden. Der Explorer zeigt eine Infrarotwelle von 15 Mikrometern Länge. Ein Mikrometer ist ein Millionstel Meter beziehungsweise ein Tausendstel Millimeter. Wellen dieser Länge gehören zu jenen, die die Erde als Wärme abgibt.

Wellenlänge

Licht breitet sich als Welle aus, und seine Wellenlänge ist der Abstand von einem Wellenberg zum nächsten. Infrarotwellen sind länger als die Wellen des sichtbaren Lichts. Menschen können sie nicht sehen, einige davon aber als Wärme spüren.

Die Internationale Beleuchtungskommission (CIE) setzt den Infrarotbereich bei etwa 780 Nanometern bis 1 Millimeter an. Ein Nanometer ist ein Tausendstel Mikrometer. Die längsten Infrarotwellen sind etwa 1.300-mal so lang wie die kürzesten. Die CIE unterteilt den Bereich in IR-A (780 bis 1.400 Nanometer), IR-B (1,4 bis 3 Mikrometer) und IR-C (3 Mikrometer bis 1 Millimeter); eine 15-Mikrometer-Welle gehört somit zu IR-C.

In anderen Fachgebieten spricht man von nahem, mittlerem und fernem Infrarot, wobei die CIE anmerkt, dass die Grenzen dazwischen je nach Anwendung variieren. Beim James-Webb-Weltraumteleskop der NASA zählt der Bereich von 4,9 bis 28,8 Mikrometern als mittleres Infrarot. Erdwissenschaftler bezeichnen 8 bis 15 Mikrometer als thermisches Infrarot, weil sich diese Wellenlängen am besten eignen, um die von der Erde abgegebene Wärme zu untersuchen. Die im Explorer gezeigten 15 Mikrometer liegen am oberen Rand dieses Bereichs.

Größenvergleiche

Etwa fünf bis sieben 15-Mikrometer-Wellen würden, aneinandergereiht, die Breite eines Menschenhaares ergeben, das 80 bis 100 Mikrometer breit ist.
Eine 15-Mikrometer-Welle ist etwa 20-mal so lang wie eine Welle von rotem Licht, dem längstwelligen Licht, das Menschen sehen können, bei etwa 700 Nanometern.
Eine Fernbedienung für den Fernseher nutzt Infrarotlicht mit einer Wellenlänge von etwa 940 Nanometern. Eine 15-Mikrometer-Welle ist 16-mal so lang.
Eine 15-Mikrometer-Welle ist 1,5-mal so breit wie das im Explorer daneben gezeigte, 10 Mikrometer große weiße Blutkörperchen, und etwa doppelt so breit wie ein rotes Blutkörperchen, das 7 bis 8 Mikrometer groß ist.

Infrarotlicht und Wärme

William Herschel entdeckte das Infrarotlicht im Jahr 1800. Er platzierte Thermometer in jeder Farbe des Sonnenlichts und stellte fest, dass die Temperatur von Blau zu Rot hin anstieg. Jenseits des roten Endes, wo er kein Licht mehr sehen konnte, war es sogar noch wärmer.

Sehr heiße Objekte, etwa ein Feuer, geben sowohl sichtbares Licht als auch Infrarotlicht ab. Kühlere Objekte, wie Menschen und Tiere, geben nur Infrarotlicht ab. Infrarotkameras und Nachtsichtgeräte erfassen dieses Licht und können so warme Körper sichtbar machen, die das Auge nicht erkennen kann.

Die Wärme der Erde und Kohlendioxid

Die Erde verliert Wärme an den Weltraum in Form von Infrarotlicht. Die Europäische Weltraumorganisation (ESA) gibt an, dass mehr als 97 % der von der Erde abgegebenen Energie Wellenlängen zwischen 4 und 100 Mikrometern haben. Gase in der Luft absorbieren einen Teil davon und erwärmen die Oberfläche – das wird als Treibhauseffekt bezeichnet. Dadurch liegt die durchschnittliche Oberflächentemperatur der Erde bei etwa 15 Grad Celsius, mehr als 30 Grad wärmer, als sie ohne Atmosphäre wäre.

Kohlendioxid absorbiert Infrarotlicht mit Wellenlängen über etwa 12 bis 13 Mikrometern stark, einschließlich 15 Mikrometer. Das liegt nahe an dem Bereich, in dem die Erdoberfläche die meiste Energie abgibt, bei rund 12,5 Mikrometern. Wasserdampf absorbiert zwischen etwa 8 und 14 Mikrometern nur wenig Licht – ein atmosphärisches Fenster, durch das ein Großteil davon in den Weltraum entweicht –, und mehr Kohlendioxid schließt dieses Fenster teilweise.

Den Weltraum bei 15 Mikrometern beobachten

Das Mid-Infrared Instrument des Webb-Teleskops, kurz MIRI, kann Aufnahmen bei 15 Mikrometern machen. Seine Detektoren müssen unter 7 Kelvin gehalten werden, 7 Grad über dem absoluten Nullpunkt, der niedrigsten möglichen Temperatur. Das Teleskop trägt allein für sie einen Kühler namens Kryokühler mit sich.

2023 nutzten Astronomen MIRI, um die Temperatur von TRAPPIST-1 b zu bestimmen, einem Gesteinsplaneten etwa 40 Lichtjahre von der Erde entfernt. Ein Lichtjahr ist die Strecke, die das Licht in einem Jahr zurücklegt. Die Tagseite des Planeten leuchtete bei 15 Mikrometern so hell wie eine Oberfläche von etwa 500 Kelvin (etwa 230 Grad Celsius).

Das entspricht nacktem Gestein ohne Atmosphäre, die die Wärme verteilen könnte. Eine Atmosphäre mit viel Kohlendioxid hätte weniger 15-Mikrometer-Licht abgegeben und den Planeten kühler erscheinen lassen.