Emissiivisyys – Miksi pitää tietää mitä säätää ja miten säätää?
”Voiko lämpösäteilyn havaita ilman apuvälineitä?” Tämä oli yksi lämpökuvauskouluttaja Sauli Paloniityn ensimmäisistä kysymyksistä. Ensimmäiseksi tuli mieleen lämpöä hohkava takka, mutta tuleeko lämpö sitten säteilynä vai miten liekkien ihailijan iholle? Kyllä se säteilynä tulee ja tämän voi testata vaikka laittamalla paperin takkatulen lämmössä paistattelevan ja takan väliin. Heti tuntuu viileämmältä. Lämpösäteilyn voi kuitenkin myös nähdä eikä tähän tarvita lämpökameraa. Riittävän kuuma rauta hehkuu ensin punaisena ja sitten lopulta valkoisena. Vaikkapa hehkulampussa metallilanka on niin kuuma, että se säteilee lämpimän valkoista valoa ja myös lämpöä ympäristöönsä.
Pystymme kuitenkin havaitsemaan vain pienen osan lämpösäteilystä ilman lämpökameran apua. Vasta riittävän kuumat tai kylmät esineet tuntuvat etäältä kylmiltä tai kuumilta ja vasta todella kuumat esineet hehkuvat näkyvää valoa. Kuitenkin kaikki elollinen ja eloton ympärillämme lähettää lämpösäteitä. Tai hienommin ilmaistuna: Jokainen absoluuttista nollapistettä lämpimämpi kappale lähettää lämpösäteilyä. Tämän lämpösäteilyn lämpökamera siis muuttaa meille näkyväksi kuvaksi. Simppeliähän tämä lämpökuvaus on, oli minun ajatukseni tässä vaiheessa. Kamera vain käteen ja menoksi! Mutta lämpökamerallakin on omat kompastuskivensä.
Kaikki ympärillämme lähettää lämpösäteilyä. Lämpökamera muuttaa lämpösäteilyn meille näkyväksi kuvaksi. Kuva: Lilli Frondelius
Seuraavaksi kouluttaja näytti lämpökameralla kuvattua videota lapsestaan ratsastamassa. Ratsukko laukkasi maneesissa seinän vierustaa ja seinällä juoksi ratsukon ”varjo”. Kyse ei kuitenkaan ollut mistä tahansa tavallisesta varjosta, vaan ratsukon lämpö heijastui maneesin seinään. Lämpösäteetkin heijastuvat ja niitä voi ohjailla peilien ja linssien avulla. Siksi aurinkokeittimellä saa perunat keitettyä ja suurennuslasilla voi sytyttää paperin palamaan. Lämpösäteet kuitenkin heijastuvat hieman eri tavalla kuin näkyvä valo. Kohteen väri vaikuttaa valon heijastumiseen, mutta ei lämpösäteiden heijastumiseen. Mattavalkeaksi maalattu seinä heijastaa hyvin valoa, mutta huonosti lämpösäteitä. Kiiltävät pinnat ovat niitä, jotka heijastavat hyvin lämpösäteitä. Alla on kuvattu kuuma alumiinikuutio (Leslien kuutio) kahdesta suunnasta tavallisella kameralla ja lämpökameralla. Mustaksi ja valkeaksi maalatut sivut kuutiossa näyttävät lämpökameralla kuvattuna kuumilta, mutta muut sivut näyttävät viileiltä. Kiiltävältä sivulta mitattu lämpötila on siis lähes pelkästään ympäristöstä heijastunutta lämpösäteilyä, ja kuvassa näkyykin hyvin miten vieressä olevan käden säteilemän lämpö heijastuu selkeästi. Myös oikealla alhaalla valokuvassa matta-alumiinipinnalta heijastuu käden lämpö. Ne kiiltävämmätkin sivut ovat kyllä siis yhtä kuumia kuin muukin kuutio, mutta lämpökamera ei vain kykene sitä näkemään ”viileämmän” lämpösäteilyn heijastumisen takia. Onko lämpökuvaus siis sittenkään niin yksinkertaista kuin olin kuvitellut? Miten lämpökuvaus onnistuu tällaiselta tavan tallaajalta, jos pitää heijastumiakin miettiä? Nyt on emissiivisyyden aika astua esiin ja päästää meidät umpikujasta.
Leslien kuutio näyttää miten pintojen emissiivisyys vaikuttaa lämpökameralla havaittuun lämpötilaan. Kuutio on alumiinia. Yksi sivuista on maalattu mustaksi, toinen valkeaksi ja kolmas on kiillottettu peilipinnalle. Viimeinen sivu on jätetty mattapinnalle. Kuutio on kuuma, mutta lämpökamera näkee vain maalatut sivut kuumina. Lähde: Wikimedia Commons Alkuperäinen tekijä: Pieter Kuiper
Emissiivisyys kertoo meille, mikä osuus kappaleen lähettämästä lämpösäteilystä on kappaleesta itsestään peräisin. Leslien kuutiossa maalattujen sivujen emissiivisyys on jotain 0,95 luokkaa ja kiiltävän sivun emissiivisyys voisi olla vaikka 0,04. Entä mitä se loppu sitten on? Loppu on heijastuvaa lämpösäteilyä. Peilikirkkaan sivun lähettämästä lämpösäteilystä vain 4% on siitä itsestään peräisin ja kaikki muu on ympäriltä heijastuvaa lämpösäteilyä. Jos peilisivun viereen pöydälle laittaisi jääkylmän cokispullon, näkyisi lämpökamera¬kuvassa pullon kylmä heijastus. Yleensä lämpökuvaajaa kiinnostaa kuitenkin nimenomaan esineen tai olennon lämpötila. Siksi lämpökameran asetuksiin säädetään kuvauskohteelle sopiva emissiivisyysarvo ja taustan lämpötila pitää ilmoittaa myös. Sen jälkeen kamera kykenee poistamaan heijastuksen kuvasta ja näyttämään meille sen oleellisen eli kuvauskohteen lämpötilan.
Mahtavaa. Lämpökuvaaminen onnistuu siis meiltä maallikoiltakin. Riittää, että kuvaaja suhtautuu emissiivisyyteen ja heijastuvaan lämpösäteilyyn asiaankuuluvalla vakavuudella.
Kahvinkeittimen kuumuus heijastuu kiiltävästä pöydänpinnasta. Kuva: Sami Pekkarinen
Blogin kirjoitti Inka Nykänen Savonialta.
