Пропускание атмосферой теплового излучения человека Текст научной статьи по специальности «Физика»

Faldin Nikolay Vasilyevich, doctor of technical sciences, professor, Kozyr A [email protected], Russia, Tula, Tula State University,

Feofilov Sergey Vladimirovich, doctor of technical sciences, professor, [email protected], Russia, Tula, Tula State University,

Kozyr Andrey Vladimirovich, postgraduate, Kozyr A [email protected], Russia, Tula, Tula State University

УДК 621.833

ПРОПУСКАНИЕ АТМОСФЕРОЙ ТЕПЛОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ЧЕЛОВЕКА

Е.В. Филиппова

Рассмотрено тело человека как источник электромагнитного излучения. Представлено сравнение вариантов теплообмена кожи человека с окружающей средой. Описано понятие «пропускание атмосферы». Представлена международная шкала видимости в определенных погодных условиях. Рассмотрены основные воздействующие факторы на ИК-излучение в волновых диапазонах. Представлена методика расчета спектрального коэффициента пропускания атмосферы для любых погодных условий на высоте Н. Сделаны выводы о более приемлемой системе обнаружения целей и объектов с учетом местности и пропускной способностью атмосферы.

Ключевые слова: инфракрасное излучение, излучательная способность, пропускание атмосферы, спектр излучения, длина волны, обнаружение цели.

Чтобы оценить интенсивность электромагнитного излучения на разных длинах волн, тело человека как излучатель можно с достаточной точностью моделировать абсолютно черным телом, которое поглощает все падающее на него излучение и поэтому обладает максимальной излуча-тельной способностью.

Излучательная способность тела еЯТ - количество энергии, испускаемой единицей поверхности тела в единицу времени в единичном интервале длин волн по всем направлениям - зависит от длины волны 1 и абсолютной температуры тела Т.

Эта функция имеет максимум на длине волны 1 m = ^ /(5кГ), что при температуре человеческого тела Т »310^ составляет около 10 мкм. Поэтому ИК-излучение тела человека измераяют тепловизорами в диапазоне 3.. .10 мкм, где оно максимально.

Спектральная зависимость теплового излучения меняется с ростом температуры. Рост температуры на 20 К вызывает увеличение интенсивности излучения в 1.5 раза в ИК-диапазоне.

Человек как биологическое тело, имеющее температуру в интервале от 31 до 42 °С, является источником преимущественно ИК-излучения. Основная часть собственного излучения кожи человека приходится на диапазон волн с длиной от 4 до 50 мкм. Максимальная спектральная плотность лежит в диапазоне около 10 мкм, то есть в длинноволновой области ИК излучения.

Исследования Харди (Hardy) (1934, 1938) показали, что в длинноволновой ИК-области (8...14 мкм) кожа человека излучает как абсолютно черное тело независимо от возраста, степени пигментации и других особенностей. Поэтому коэффициент излучения кожи человека можно считать равным единице. На практике доказано, что различие между характеристиками излучения кожи человека и абсолютно черного тела существует, оно невелико и зависит от влияния окружающего фона. При измерении в помещении с температурой 22 °С температура кожи человека будет отличаться от истинной на 0,3 °С. Это правило нельзя отнести к излучению с длиной волны короче 5 мкм, но доля этого излучения небольшая по сравнению с общим ИК-излучением (не более 1 %).

По данным ряда авторов, теплоотдача конвекцией у людей в состоянии покоя в комфортных метеорологических условиях составляет 14,2.33,1 % общей теплоотдачи организма. Отдача тепла излучением происходит в направлении поверхностей с более низкой температурой. Передача тепла ИК-излучением является одним из наиболее мощных путей теплообмена человека с окружающей средой и составляет в состоянии покоя в комфортных метеорологических условиях 43,8.59,1 % общей теплоотдачи. Следует отметить, что в то время как интенсивность теплоотдачи конвекцией возрастает с повышением скорости движения воздуха, теплоотдача излучением не зависит от нее: воздух для инфракрасного излучения теплопрозрачен [4].

Конечно, пропускание атмосферы зависит от длины трассы и от метеорологических условий. Измерения и расчеты спектрального коэффициента ослабления излучения атмосферой позволяют определить наиболее благоприятные для проведения измерений спектральные области.

Если этот фактор довольно слабо действует на очень коротких дистанциях, то этого уже нельзя сказать для расстояний на несколько сотен метров, на которых атмосфера не только поглощает часть излучения, но и добавляет собственное излучение на трассе. В таблице представлена международная шкала видимости. В общем случае очень влажная атмосфера оказывает большее влияние в диапазоне 8.12 мкм, тогда как аэрозоли и

дымка особенно неблагоприятны для диапазона 3.5 мкм. Необходимо также отметить очень сильное поглощение углекислым газом в интервале длин волн 4,2.5,4 мкм [1].

Международная шкала видимости

Балл Характеристика видимости Метеорологическая дальность видимости Условия наблюдения

/,км

0 <0,05 Очень сильный туман

1 Очень плохая 0,05.<0,2 Сильный туман, очень густой снег

2 0,2.0,5 Умеренный туман или сильный снег

Слабый туман, умерен-

3 Плохая 0,5.1 ный снег или сильная дымка Умеренный снег, очень

4 1..2 сильный дождь или умеренная дымка

5 2.4 Слабый снег, сильный

Средняя дождь или слабая дымка Умеренный дождь,

6 4.10 очень слабый снег или слабая дымка

7 Хорошая 10.20 Без осадков или слабый дождь

8 Очень хорошая 20.50 Без осадков

9 Исключительная >50 Совершенно чистый воздух

Значения коэффициента *рэ при различных 1 и / берут из графиков

рисунка. Он построен из случая, когда длина поглощающего слоя атмосферы составляет 1,83 км, а количество осажденной воды равно 17 мм [2]. Если реальная длина слоя составляет на 1,83, а Ь км, а количество осажденной воды с отличается от 17 мм, то коэффициенты *р рассчитывают

по соотношению

Ь/1,83

1рэ,

* р = (* рэ / ' 0,998-(17-с)

Окончательно получаем следующее выражение для спектрального коэффициента пропускания атмосферы на высоте Н:

ТХН = ТВПХУГТР •

Рис. 1. Экспериментальные значения спектрального коэффициента рассеяния атмосферы при разных метеорологических дальностях видимости

Результаты свидетельствуют, что без учета характеристик источников и приемников излучения для сухого воздуха в средних широтах пропускание в диапазоне 8...12 мкм больше, чем в диапазоне 3...5 мкм, поскольку в последнем диапазоне имеет место сильное поглощение углекислым газом. В чистой тропической атмосфере с высокой влажностью пропускание выше в диапазоне 3...5 мкм, так как пары воды сильно поглощают излучение в диапазоне 8... 12 мкм. Но дымка приводит к более сильному ослаблению излучения в диапазоне 3...5 мкм по сравнению с диапазоном 8... 12 мкм, и именно это заставляем отдать предпочтение диапазону 8... 12 мкм в связи с тем, что долгое отсутствие дымки во влажном тропическом воздухе маловероятно. Однако основной интерес представляет не абсолютная величина коэффициента пропускания, а соотношение тепловой чувствительности и коэффициента пропускания [3].

Обобщая полученную информацию, можно сделать вывод, что двух-спектральная система для обнаружения и распознавания целей и объектов по их инфракрасному излучению наиболее выгодна [1].

Список литературы

1. Госсорг Ж. Инфракрасная термография. Основы, техника, применение: пер. с франц. М.: Мир, 1988. 416 с.

2. Криксунов Л.З. Справочник по основам инфракрасной техники. М.: Сов. радио, 1978. 400 с.

3. Ллойд Дж. Системы тепловидения / пер. а англ. М.: Мир, 1978.

414 с.

4. Интернет-ресурс ФГБУ «Приволжский федеральный медицинский исследовательский центр» Минздрава России. [Электронный ресурс] URL: http://www.nniito.ru/ (дата обращения: 17.08.2015).

Филиппова Екатерина Вячеславовна, лаборант, kisskiri a hk.ru Россия, Тула, Тульский государственный университет.

A TMOSPHERE TRANSMISSION OF THERMAL RADIA TION OF THE PERSON

E. V. Filippova

We consider the human hody as a source of electromagnetic radiation. A comparison of variants of human skin heat exchange with the environment. It describes the concept of atmospheric transmission. Presented hy the International Scale of visibility in certain weather conditions. The main influencing factors on the infrared radiation in the wavelength range. The technique of calculating the spectral transmittance of the atmosphere for all weather conditions at the height H. The conclusions ahout a more appropriate system of target detection and location of objects in view and capacity of the atmosphere.

Key words: infrared radiation, radiating ability, atmosphere transmission, radiation range, wavelength, detection of the purpose.

Filippova Ekaterina Vyacheslavovna, laboratory assistant, kisskina hk.ru, Russia, Tula, Tula State University