Thermographie

Thermographie- oder Wärmebildkameras werden inzwischen breit verwendet. Die typischen Falschfarbenabbildungen, vor allem von Gebäuden, fehlen in keinem Energiespar-Artikel.
Um die Anwendungsmöglichkeiten in der Höhlenforschung herauszufinden, ist es nützlich, die Funktionsweise, Möglichkeiten und Grenzen einer solchen Kamera zu kennen.
 
     Das elektromagnetische Spektrum im Bereich des sichtbaren Lichtes.

Elektromagnetische Wellen mit einer Wellenlänge von etwa 400nm (blau) bis etwa 700nm (rot) sehen wir als Licht. Strahlung mit kürzerer Wellenlänge bezeichnen wir als UV-Strahlung; sie ist aufgrund des höheren Energiegehaltes nicht ungefährlich.

Vergrößert man die Wellenlänge über 700nm (=0,7µm) hinaus, bewegt man sich im Bereich der Infrarotstrahlung, der bei etwa 10µm in normale Wärmestrahlung übergeht.
Eine Wärmebildkamera ist also im Prinzip eine Digitalkamera, welche aber nicht im Bereich des sichtbaren Lichtes, sondern auf Wärmestrahlung empfindlich ist.
Sie misst auch keine Farben, sondern zeigt prinzipiell nur die Intensität von Wärmestrahlung im Wellenlängenbereich von etwa 8µm-15µm an.
Diese Intensität, bezeichnet man üblicherweise auch als Temperatur. Dabei gibt es jedoch ein Problem. Nicht jede Oberfläche strahlt Wärmestrahlung gleich gut ab. Während organische Oberflächen, also vieles, was man so in Wald und Flur natürliches zu sehen bekommt, einen Emmissionsfaktor von etwa 0,95-0,98 haben, sinkt der Faktor zum Beispiel bei polierten Metalloberflächen teilweise bis deutlich unter 0,1 ab. Das heißt, das blanke Metalle weniger Wärmestrahlung abstrahlen und damit in einer Wärmebildkamera deutlich kälter erscheinen, als sie in Wirklichkeit sind.
Das gleiche Problem haben übrigens auch die inzwischen sehr billigen, berührungslosen Infrarot-Thermometer, die ähnlich wie eine Thermographiekamera funktionieren, deren Sensor aber nur einen Messpunkt liefert. Deren Anzeige ist nur zu trauen, wenn man sich über den IR-Emissionsfaktor der zu messenden Stelle klar ist.
Der Bildsensor unserer Wärmebildkamera hat eine Auflösung von 120 x 180 Bildpunkte. Die Intensität der Wärmestrahlung eines jeden Punktes wird auf einem Bildschirm angezeigt; entweder als Graustufen oder auch als im Prinzip frei wählbare Farbe. Deshalb sind Wärmebilder auch nur brauchbar, wenn daneben dargestellt wird, welche Graustufe oder Farbe welcher Temperatur entspricht. All diese Zuordnungen können per Software beliebig verändert werden.

     Drei verschiedene Farbzuweisungen bei einem Bild des Blautopfes.

Der geringste, von unserer Kamera darstellbare Temperaturunterschied, die sogenannte thermische Auflösung, beträgt 0,08°C.
Wenden wir und nun der Aufnahmetechnik zu. Das Objektiv der Kamera sieht sehr metallisch aus; entfernt man es von der Kamera, stellt man fest, dass es total undurchsichtig ist. Das ist aber auch Sinn der Sache, es muss ja nur Wärmestrahlung durchlassen. Gefertigt werden solche Objektive aus Germanium, einem Halbleiter-Element, welches in der Anfangszeit der Halbleitertechnik für Transistoren verwendet wurde, aber dort inzwischen fast komplett von Silizium abgelöst wurde.
Auch NaCl, also Kochsalz, eignet sich als Linsenmaterial für Wärmebildkameras, es wird nur wegen seiner Wasserempfindlichkeit und geringen Härte selten verwendet.
Normales Glas wiederum ist für Wärmestrahlung so gut wie undurchlässig.

Nun zu einigen Beispielanwendungen:

An heißen Sommertagen ist der Bereich unterhalb der Albhochfläche am interessantesten, da aus meteotiefen Höhleneingängen Kaltluft ausströmt. Damit findet man sehr effizient bewetterte Stellen.

     Das Foto im Wärme- und sichtbaren Spektralbereich zeigt eine kleine Bewetterungsstelle in einem
     Seitental bei Blaubeuren.
 
     Der Eingang der Vetterhöhle ist zwar kälter als die Umgebung, ein Luftstrom wird durch den Deckel
     aber wirksam verhindert.

     Die Grabungsstelle im Seligengrund zeigte am 27. August 2009 eine beeindruckende Bewetterung.
     Große Mengen Kaltluft strömen durch das als Verschluss verwendete Gitter ungehindert aus der
     Höhle.

Eine der Erwartungen an die Wärmebildkamera war, Fledermäuse als Wärmequellen leicht identifizieren zu können. Dieses ist jedoch nur begrenzt möglich, da die Tiere ihre Körpertemperatur sehr schnell auf fast den Umgebungswert absenken.

 
     Fledermaus mit abgesenkter Körpertemperatur