Termowizja

Odkryciem podczerwieni wsławił się w 1800 r. brytyjski astronom i fizyk Sir William Herschel, będący również odkrywcą planety Uran. Nastąpiło ono przypadkiem podczas poszukiwania materiału, który pełniłby rolę filtru optycznego mogącego ograniczać jaskrawość obrazu Słońca w teleskopach podczas obserwacji astronomicznych. Testując różne próbki kolorowego szkła w podobnym stopniu ograniczające jasność, zauważył, że niektóre przepuszczały tylko niewielką ilość ciepła słonecznego, natomiast inne tak dużo, że zaledwie kilkusekundowa obserwacja groziła uszkodzeniem wzroku. W wyniku bardzo pomysłowo przeprowadzonego doświadczenia Herschel ustalił, że w miarę powolnego przemieszczania termometru wzdłuż barw widma, od fioletu do czerwieni, odczyty temperatury równomiernie wzrastały. Jednocześnie stwierdził, że gdy termometr jest przesuwany w ciemny obszar poza czerwony koniec widma, efekt cieplny jest w dalszym ciągu coraz intensywniejszy. Zlokalizowany punkt maksimum leżał daleko poza czerwienią, w obszarze zwanym dziś długościami fal podczerwonych.

Prezentując swoje odkrycie, Herschel nazwał nowy obszar widma elektromagnetycz­nego widmem termometrycznym. Samo promieniowanie nazywał ciemnym cie­płem lub po prostu promieniowaniem niewidzialnym. Paradoksalnie, wbrew po­wszechnemu przekonaniu, to nie Herschel jako pierwszy użył terminu „podczerwień". Słowo to zaczęło pojawiać się w publikacjach drukowanych dopiero 75 lat później i do dziś nie jest jasne, komu należy przypisać jego autorstwo.

Widmo elektromagnetyczne

Otaczająca nas przestrzeń jest wypełniona promieniowaniem elektromagnetycznym. Pochodzi ono z kosmosu lub jest wytwarzane na Ziemi przez człowieka. Podstawowym parametrem promieniowania elektromagnetycznego jest długość emitowanej fali lub jej częstotliwość, będąca odwrotnością okresu fali. Zakres częstotliwości promieniowania elektromagnetycznego, który obecnie umiemy zmierzyć, nazywa się widmem elektromagnetycznym. Trzeba zaznaczyć, że zakres ten nie jest ograniczony z góry i z dołu. Jedynie pewnych częstotliwości nie umiemy jeszcze zmierzyć. Na potrzeby dzisiejszej nauki powszechnie uznaje się, że widmo elektromagnetyczne obejmuje zakres fal o długości od 10 nm do 1 km.

Promieniowanie podczerwone obejmuje fale o długości od 0,75 do 150 µm, które nazywane są pasmem podczerwieni. Jest ono często dzielone na cztery mniejsze pasma, których granice również są określone umownie. Są to: bliska podczerwień (0,75–3 µm), średnia podczerwień (3–6 µm), daleka podczerwień (6–15 µm) i bardzo daleka podczerwień (15–150 µm). W zastosowaniach technicznych najczęściej wykorzystywany jest zakres od 2 do 13 µm.

Ciało doskonale czarne i jego promieniowanie

Ciało czarne to obiekt, który pochłania całe padające na niego promieniowanie, niezależnie od długości fali. Pozornie niewłaściwa nazwa „ciało czarne” użyta na określenie przedmiotu emitującego promieniowanie jest wyjaśniona przez prawo Kirchhoffa (od nazwiska Gustava Roberta Kirchhoffa, 1824–1867), które mówi, że ciało zdolne do absorpcji całego promieniowania o dowolnej długości fali jest również zdolne do emitowania promieniowania. Jeśli temperatura promieniowania ciała czarnego wzrośnie powyżej 525°C (977°F), staje się ono widzialne i przestaje być przez oczy postrzegane jako czarne. Jest to początkowo barwa czerwona, która wraz z dalszym wzrostem temperatury przechodzi w barwę pomarańczową lub żółtą. W istocie tak zwana tem­peratura barwowa ciała jest definiowana jako temperatura, do której musi zostać ogrzane ciało czarne, aby wyglądało tak samo jak dane ciało.

Aby lepiej zrozumieć całość zagadnienia, trzeba poznać kilka wzorów opisujących zachodzące zjawiska fizyczne. Rozkład widmowy promieniowania elektromagnetycznego pochodzącego z ciała doskonale czarnego opisał Max Planck:

gdzie:

Dla porządku podaję: h = 6,6260693*10^-34 [J*s], k = 1,3806505*10^-23 [J/K]. Zwracam też uwagę, że stała Boltzmanna nie jest tożsama ze stałą Stefana-Boltzmanna, o której będzie mowa nieco dalej. Wzór Plancka przedstawiony w postaci wykresu dla różnych temperatur jest zbiorem krzywych. Na dowolnej krzywej Plancka emitancja widmowa wynosi zero przy λ = 0, a następnie gwałtownie rośnie do maksimum przy długości fali λ_max, za którą ponownie spada do zera przy bardzo dużych długościach fal. Im wyższa temperatura, tym mniejsze długości fal, przy których występuje maksimum. Widać to na obrazku poniżej.

Teraz zdefiniujemy ważne pojęcie: emisyjność. W samej definicji (ciało doskonale czarne) tkwi błędne założenie, bo takie ciało nie istnieje, ale jego przyjęcie znakomicie ułatwia obliczenia – należy przybliżyć teorię do rzeczywistości. Emisyjność ß jest w pewnym uproszczeniu miarą intensywności promieniowania emitowanego z obiektu w stosunku do intensywności promieniowania emitowanego przez ciało doskonale czarne o tej samej temperaturze. Różne materiały i ich obrobione powierzchnie charakteryzują się emisyjnością w zakresie od 0,1 do 0,95. Dobrze wypolerowane (lustrzane) powierzchnie mają emisyj­ność poniżej 0,1. Oksydowane lub pomalowane mają większą. Farba olejna, niezależnie od jej koloru w świetle widzialnym, ma w obszarze podczerwieni emisyjność ponad 0,9. Skóra ludzka wykazuje emisyjność od 0,97 do 0,98. Nieoksydowane metale są skrajnym przypadkiem połączenia doskonałej nieprzezroczystości i wysokiego współczynnika odbicia, który w niewielkim stopniu zależy od długości fali. Wskutek tego emisyjność metali jest niewielka, a jej wartość zwiększa się ze wzrostem temperatury. W przypadku niemetali emisyjność jest na ogół wysoka, a jej wartość zmniejsza się ze wzrostem temperatury. Całkując wzór Plancka w granicach  λ = 0 do λ = ∞, otrzymujemy znany wzór Stefana-Boltzmanna, określający emitancję ciała doskonale czarnego:

E₀ = σ*T⁴

gdzie stała Stefana-Boltzmanna σ = 5,670400*10^-8 [W/m²K⁴], T – temperatura w Kelvinach

Z powyższego wynika też, że ciało rzeczywiste (zwane szarym) emituje i absorbuje mniej energii E niż ciało doskonale czarne, ponieważ E = E₀* ß, a ß<1

Natomiast pole powierzchni pod krzywą Plancka obrazuje ilość energii zawartej w promieniowaniu o danej temperaturze. Emisyjności nie należy mylić z emitancją, będącą miarą mocy promieniowania przechodzącego przez jednostkowy element powierzchni. Zazwyczaj podaje się ją w W/m².

Różniczkując równanie Plancka względem λ i wyznaczając maksimum, otrzymujemy prawo przesunięć Wiena:

λ_max= 2898/T [µm]

Wyraża ono matematycznie znane zjawisko zmiany kolorów od czerwonego do żółtego w miarę wzrostu temperatury ciała. Długość fali barwy jest taka sama jak wyznaczona długość fali λ_max. Dobre przybliżenie wartości λ_max dla danej temperatury ciała czarnego można uzyskać, stosując eksperymentalnie wyznaczoną skalę 3 000/T µm. A zatem w przypadku bardzo gorących gwiazd, takich jak Syriusz (11 000 K), emitujących światło niebieskawo-białe, szczyt emitancji widmowej przypada na niewidoczną część widma w obszarze ultrafioletu, przy długości fali 0,27 µm. Słońce (około 6 000 K) emituje światło żółte, a jego maksimum przypada na wartość 0,5 µm, pośrodku widma światła widzialnego. W temperaturze pokojowej (300 K) szczyt emitancji przypada na długość fali 9,7 µm i znajduje się w dalekiej podczerwieni, a w temperaturze ciekłego azotu (77 K) maksimum znikomej emitancji przypada na długość fali 38 µm i znajduje się w bardzo dalekiej podczerwieni.