Wśród wielu odkryć dokonanych w minionych dwóch wiekach światło podczerwone bez wątpienia jest jednym z najistotniejszych. To naturalne zjawisko wykorzystuje się w wielu dziedzinach nauki i przemysłu – choćby w medycynie, astronomii, myślistwie i w przemyśle zbrojeniowym. Dzięki podczerwieni możemy widzieć w ciemności, obserwować najdalsze zakątki wszechświata, badać związki organiczne i przewidywać zjawiska pogodowe. Pytania na temat światła IR nasuwają się same – czy podczerwień jest szkodliwa? W jaki sposób można ją wykorzystać? Przekonajmy się.
Jak odkryto podczerwień?
Historia pokazała, że większość najważniejszych wynalazków powstało w wyniku czystego przypadku. Prawdę tę potwierdzają okoliczności odkrycia podczerwieni. W 1800 roku niemiecki fizyk William Hershel postanowił zmierzyć poziom energii cieplnej poszczególnych barw. W tym celu rozszczepił światło, przepuszczając je przez pryzmat i zbadał temperaturę barw z użyciem pomalowanego na czarno termometru rtęciowego. Ku zdziwieniu naukowca najwyższa wartość wystąpiła w ciemnym obszarze blisko światła czerwonego. Generowały je niewidzialne promienie znajdujące się na końcu widma widzialnego.
Odkrycie Hershela stało się pierwszym etapem dalszych badań nad podczerwienią, które zaowocowały wieloma praktycznymi wynalazkami. Przykładowo dziś wiele teleskopów NASA posiada wydajne systemy obrazowania w podczerwieni, które dostarczają ogromnych ilości danych o wszechświecie. Satelity wykorzystujące radiometry podczerwone wykonują obrazy termiczne pozwalające na określenie właściwości chmur, a także mórz, oceanów oraz innych zbiorników.
Daje to cenne informacje na temat stanów wód i sytuacji pogodowej, co ma duże znaczenie m.in. dla żeglarzy rybaków i rolników. Zgromadzone dane pozwalają również na przewidywanie niebezpiecznych zjawisk pogodowych w rodzaju tornad, silnych burz i cyklonów tropikalnych.
Czym jest światło IR?
Powyższy akapit wyjaśnił nieco czym właściwie jest podczerwień, ale spróbujmy to doprecyzować. Światło podczerwone (IR) to promieniowanie elektromagnetyczne znajdujące się pomiędzy mikrofalami i światłem widzialnym. Emitowane jest przez każde ciało o temperaturze większej od zera bezwzględnego, przy czym ilość promieniowania zależna jest od wydzielanej temperatury – im większa, tym wyższa wartość IR. Podczerwień dzielimy na pasma ujęte w trzech kategoriach – bliskiej podczerwieni (zakres 780 nm do 1400 nm), średniej (1400 nm – 3000 nm) i dalekiej (3000 nm – 1000 nm).
Czy podczerwień jest widzialna?
To, czy światło podczerwone można zobaczyć gołym okiem zależne jest od długości pasma. Realnie patrząc fale IR stają się niedostrzegalne powyżej wartości 940 nm. W przeciwnym wypadku widoczna jest delikatna poświata. Ma to szczególne znaczenie w przypadku fotopułapek i optyki myśliwskiej.
Widoczne pasmo podczerwieni mogłoby zaalarmować przestępców lub spłoszyć zwierzynę. Widzialna podczerwień ma jednak swoje plusy – wykorzystujące ją fotopułapki często pełnią funkcję odstraszającą intruzów. Warto też wspomnieć, że nawet pasmo większe niż 940 nm jest widoczne dla niektórych gatunków zwierząt – głównie ptaków, węży i nietoperzy.
Podczerwień – właściwości i zastosowanie
Podczerwień jest naturalnym zjawiskiem występującym w naturze. Stanowi ono ok. 40% światła słonecznego będącego tym samym głównym „producentem” IR w przyrodzie. Jej główną właściwością jest nagrzewanie tkanek, które miały z nią kontakt. Proces ten następuje jednak bardzo powoli, nie ma więc mowy o ryzyku poparzenia skóry. Wpływ promieniowania podczerwonego jest więc w 100% bezpieczny dla ludzkiego organizmu.
Co więcej, odpowiednio wykorzystana podczerwień posiada właściwości zdrowotne. W delikatny sposób nagrzewa ona ciało, rozszerzając naczynia krwionośne, poprawiając krążenie i usuwając zanieczyszczenia z organizmu. Właśnie dlatego zjawisko to od lat wykorzystywane jest w medycynie ze względu na działanie przeciwbólowe i relaksacyjne.
Stosuje się je do leczenia zwyrodnień stawów i chorób reumatycznych przy użyciu urządzeń zwanych promiennikami ciepła. Leczy się nią również bóle głowy, bezsenność i wiele innych dolegliwości. Podczerwień stała się również popularną, ekologiczną metodą na ogrzewanie pomieszczeń – w tym celu wykorzystywane są panele przetwarzające energię elektryczną na światło podczerwone. W przeciwieństwie do tradycyjnych metod grzewczych energia podczerwieni nie nagrzewa powietrza, tylko wchłania się w przedmioty z otoczenia i żywe organizmy.
Podczerwień czynna a bierna
Gdyby nie odkrycie podczerwieni nigdy nie powstałoby wiele powszechnych dziś wynalazków. Są nimi przykładowo noktowizory i termowizory umożliwiające widzenie w ciemności. Wykorzystanie podczerwieni w kontekście tych technologii możemy podzielić na dwie grupy:
- bierne – używane w detektorach rejestrujących podczerwień emitowaną przez inne obiekty. Zasada ta wykorzystywana jest m.in. w termowizorach, które umożliwiają obserwację w ciemnościach poprzez obrazowanie różnic cieplnych na tle otoczenia;
- czynne – opiera się na emisji i nakierowaniu fal podczerwonych na dany obiekt i obserwacji odbitych promieni. Skutkuje to dobrą widocznością w niemal całkowitych ciemnościach. Oświetlacze IR funkcjonują właśnie na podstawie tej metody. Stosuje się je w bardziej zaawansowanych modelach noktowizorów i kamer przemysłowych. Noktowizor pozbawiony oświetlacza sprawdza się jedynie w warunkach wystarczającego światła zewnętrznego – np. podczas pełni księżyca. Zastosowanie podczerwieni czynnej eliminuje ten problem, gdyż to właśnie ona pełni „substytut” brakującego światła.
Podczerwień w walce z koronawirusem
Skoro opowiedzieliśmy już o pozytywnych aspektach podczerwieni, poświęćmy nieco miejsca jej roli, jaką odgrywa ona w czasie pandemii koronawirusa SARS-Cov-2. Wbrew pozorom jest to rola niebagatelna – gorączka to przecież jeden z podstawowych objawów choroby COVID-19.
Zastosowanie termometrów IR i kamer termowizyjnych w miejscach pracy i przestrzeni publicznej pozwala więc na przeprowadzenie skutecznych badań przesiewowych. Oczywiście podwyższona temperatura nie przesądza o tej akurat chorobie, tak samo jak brak gorączki nie musi świadczyć o zdrowiu. Mimo wszystko identyfikowanie osób potencjalnie chorych przyczyni się do zwiększenia poziomu bezpieczeństwa społecznego i poprawy komfortu psychicznego zarówno dla pracowników pierwszego kontaktu, jak i klientów.
Od momentu wybuchu pandemii koronawirusa urządzenia do pomiaru temperatur stały się powszechnym widokiem w wielu miejscach przestrzeni publicznej – m.in. na lotniskach, uczelniach, dworcach PKP i PKS. Na szczęście kontrola temperatury jest nie tylko zupełnie bezpieczna, ale również nieinwazyjna – odbywa się najczęściej poprzez zbliżenie czoła lub nadgarstka do czujnika. W zależności od metrażu danego obiektu stosowane są duże gabarytowo bramki detekcyjne, zawieszane na ścianie sensory lub rozstawiane na stojakach kamery termowizyjne.
Spośród bramek najpopularniejszym modelem jest bramka SE-1008 wyróżniający się czułym pomiarem temperatury w zakresie 0,1°C oraz licznikiem alarmów ułatwiającym sprawowanie kontroli i sporządzanie raportów. Do mniejszych pomieszczeń polecamy czujnik SA200P, który z łatwością można zawiesić na ścianie, drzwiach lub innej płaskiej powierzchni. Sensor wyposażony jest w system ostrzegania głosowego, który informuje o pozytywnym wyniku lub alarmie, a także w funkcję zapobiegania fałszywym alarmom.
Innym interesującym rozwiązaniem jest kamera termowizyjna do pomiaru temperatury UT-160Hi. Może ona pełnić rolę analogiczną do opisanej wyżej bramki lub sensora – wystarczy umocować ją na statywie i podłączyć do zewnętrznego monitora, by zyskać możliwość rutynowej kontroli wchodzących i wychodzących z pomieszczenia osób. Ręczny tryb pracy przydaje się policjantom do kontroli ludzi przebywających na kwarantannie i funkcjonariuszom Straży Granicznej w ich codziennych obowiązkach.
Przyszłość podczerwieni
O potencjale, jaki tkwi w podczerwieni i jej zaletach moglibyśmy pisać jeszcze długo. To niepozorne zjawisko przyczyniło się w znacznym stopniu do rozwoju wielu gałęzi przemysłu i wiele wskazuje na to, że pomysłowość inżynierów i naukowców jeszcze nie raz nas zaskoczy.
W bliskiej przyszłości fale IR znajdą zastosowanie w czujnikach, które pomogą lekarzom w szybkiej diagnozie urazów mózgu i wykonywaniu wielu innych precyzyjnych operacji. Obiecująca jest również technologia QDIP (quantum dot infrared photodetectors), która potencjalnie ma zapewnić czterokrotne wzmocnienie promieniowania elektromagnetycznego. Przełoży się to nawet na 20-krotne zwiększenie rozdzielczości w noktowizorach lub satelitach detekcyjnych znacznie zwiększając ich potencjał.
Nie trzeba jednak wypatrywać przyszłości – przydatność podczerwieni doskonale widać już dzisiaj. Profesjonalne noktowizory, kamery na podczerwień i bramki do pomiaru temperatury zapewnią znakomite rezultaty w wielu obszarach życia społecznego, rekreacyjnego i zawodowego.