Οταν εκεί που περιμένουμε σε κάποια ουρά έρχεται ο αρμόδιος υπάλληλος για να στρέψει το… πιστόλι του προς το μέτωπό μας προσπαθώντας να πάρει τη θερμοκρασία μας, για το καλό όλων βέβαια, ας πάει μια φορά ο νους μας και στον σερ Γουίλιαμ Χέρσελ (1738-1822). Ενας νεαρός μετανάστης ήταν και αυτός της εποχής του. Από το πολιορκούμενο από τους Γάλλους υπό αγγλική κηδεμονία Ανόβερο, όπου γεννήθηκε ως Φρειδερίκος-Βίλχελμ Χέρσελ, έφθασε ως 19χρονος μουσικός σταλμένος από τον πατέρα του στο Λονδίνο. Με σκοπό να προφυλαχθεί από τα δεινά του πολέμου μεταξύ Αγγλίας και Γαλλίας και σε αναζήτηση καλύτερης τύχης.
Και τη βρήκε αυτή την καλύτερη τύχη. Ηταν ένας ακόμη μετανάστης που πρόκοψε πρώτα ως μουσικός. Και μετά, το πάθος του για την παρατήρηση του έναστρου ουρανού τον οδήγησε στο να μάθει να φτιάχνει εντελώς δικά του τηλεσκόπια, να γίνει αστρονόμος της βασιλικής οικογένειας και να κάνει μια από τις μεγαλύτερες επιστημονικές ανακαλύψεις της εποχής του.
Οταν έπεσε το τείχος
Η μεγάλη ανακάλυψη ήταν πως αναλύοντας την ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία που μας έρχεται από ένα σώμα, για παράδειγμα από τον ήλιο, πέρα από τα κύματα που καταφέρνουν να ερεθίζουν το μάτι μας, και τα λέμε μπλε, πράσινο, κίτρινο, φεύγοντας και από το κόκκινο, πηγαίνοντας προς μικρότερες περιοχές συχνοτήτων, στην περιοχή του λεγόμενου υπέρυθρου, υπάρχουν και άλλα αόρατα για το μάτι κύματα, που τα ανακαλύπτουμε με άλλες αισθήσεις.
Οταν, για παράδειγμα, αρχίζει να ζεσταίνεται το «μάτι» της κουζίνας δεν βλέπουμε κάποιο φως να εκπέμπεται από αυτό αλλά καταλαβαίνουμε γρήγορα και με την αφή πως πρέπει να πάψουμε να το αγγίζουμε. Στην συνέχεια, αν μείνει ανοιχτό, αν δηλαδή συνεχίσουμε να του παρέχουμε (ηλεκτρική) ενέργεια, μπορεί να φθάσει και να κοκκινίσει, όπως λέμε. Τότε έχουμε εκπομπή ακτινοβολίας και από την ορατή περιοχή και από την υπέρυθρη.
Ο Χέρσελ το 1800 υποψιάστηκε πως οι ακτινοβολίες που παράγονται από ένα σώμα, αν και προέρχονται από τις δύο διαφορετικές περιοχές, την ορατή και την υπέρυθρη, ήταν ίδιας φύσης. Ηταν σαν να έπεσε κάποιο τείχος όπως αυτό του Βερολίνου, όπου φάνηκε ότι χώριζε στην ουσία ανθρώπους, που ζούσαν και στη μια και στην άλλη πλευρά. Οπως και στο Βερολίνο λοιπόν, οι ακτινοβολίες με συχνότητες στο ορατό και οι ακτινοβολίες με συχνότητες στο υπέρυθρο έπρεπε τελικά να είναι της ίδιας φύσης έχοντας την αιτία τους και στις δύο περιπτώσεις στην ύπαρξη ενός παλλόμενου ηλεκτρομαγνητικού πεδίου. Αυτό αποδείχθηκε πολύ πιο εμπεριστατωμένα αργότερα από τον Μαξ Πλανκ. Ο δρόμος όμως που άνοιξε χάρη στον Χέρσελ, έστω και με κάποιες λάθος εκτιμήσεις από την πλευρά του, για την εκμετάλλευση της λεγόμενης υπέρυθρης ακτινοβολίας σε διάφορους εφαρμογές αποδείχθηκε αρκετά πλατύς.
«Αστραφτερά» σώματα
Σήμερα είναι κοινή γνώση πως όλα τα σώματα ή τα αντικείμενα εκπέμπουν ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία. Αυτή αν αναλυθεί βγαίνει ότι μπορεί να είναι ένα μείγμα από ταλαντώσεις σε διαφορετικά μήκη κύματος. Αν γίνουν οι κατάλληλες μετρήσεις σε αυτά και φτιαχτεί στη συνέχεια μια καμπύλη που να δείχνει την ένταση της εκπεμπόμενης ακτινοβολίας στα διάφορα μήκη κύματος, εμφανίζεται πάντα ένα σημείο της όπου σε εκείνο το μήκος κύματος έχουμε την εκπομπή της ακτινοβολίας μέγιστης έντασης. Και αυτό το μήκος κύματος αλλάζει όταν αλλάζει η θερμοκρασία του σώματος, συμπαρασύροντας ολόκληρη την καμπύλη προς το ορατό ή προς το υπέρυθρο, ανάλογα αν ανεβαίνει ή αν κατεβαίνει αντίστοιχα η θερμοκρασία.
Σε χαμηλές θερμοκρασίες όπως μια θερμοκρασία περιβάλλοντος 27 βαθμών Κελσίου δεν βλέπουμε τα πράγματα να εκπέμπουν κάποια λάμψη. Ούτε εμείς με σωματική θερμοκρασία 37 βαθμών λάμπουμε σαν πυρακτωμένο κομμάτι σίδερο. Η όλη καμπύλη μας και το μήκος κύματος της μέγιστης έντασης βρίσκονται σχεδόν αποκλειστικά στην αόρατη για το μάτι περιοχή. Και δεν μπορούμε να πούμε κοιτάζοντας έτσι απλά τον άλλον αν η θερμοκρασία του είναι 36,6 ή 39 βαθμοί Κελσίου. Η ακτινοβολία που εκπέμπει είναι στην περιοχή του αόρατου υπερύθρου, με μήκος κύματος κάπου κοντά στα 9,5 εκατομμυριοστά του μέτρου.
Για τον λόγο αυτόν υπήρξε η ανάγκη με κάποιο ευαίσθητο σε αυτές τις περιοχές μηχάνημα να μπορεί να ανιχνευθεί η αόρατη για εμάς ακτινοβολία. Με «χώρο δράσης» στην περιοχή του υπερύθρου, δηλαδή «κάτω» ή πέρα από αυτήν του ερυθρού.
Ακτινοβολίες δικές μας και εξ αντανακλάσεως
Τα προηγούμενα που αναφέραμε ισχύουν στην πραγματικότητα και με ακρίβεια μόνο για κάτι απλό στη σύλληψή του και με ένα λίγο μυστηριώδες όνομα. Μέλαν σώμα (blackbody) λέγεται, πώς ορίζεται όμως;
Πρόκειται για ένα ιδεατό σώμα, που δεν ανακλά οποιαδήποτε ακτινοβολία πέσει επάνω του. Κάτι σαν μαύρη οπή για τις όχι δικές του ακτινοβολίες. Για παράδειγμα, θα μπορούσε να είναι το εσωτερικό ενός χαρτονένιου πρισματικού κουτιού, βαμμένου μαύρου στο εσωτερικό του και με κάποιο πολύ μικρό άνοιγμα σε μια επιφάνεια. Οποια ακτίνα μπαίνει εκεί υφίσταται πολλαπλές ανακλάσεις στις πρισματικές επιφάνειες και τελικά απορροφάται χωρίς να βγει έξω ξανά.
Στην πράξη πλησιάζει τη συμπεριφορά του μέλανος σώματος καθετί του οποίου η ακτινοβολία παράγεται μόνο από το ίδιο. Δεν στέλνει δηλαδή προς εμάς και ακτίνες που πέφτουν επάνω του από αλλού και τις ανακλά. Ενα τέτοιο σώμα είναι το νήμα που πυρακτώνεται όταν γυρίσουμε τον διακόπτη στις παλιές κλασικές λάμπες. Ενα μεγάλο μέρος της ενέργειάς τους οι λάμπες αυτές το εξέπεμπαν στο αόρατο, άρα άχρηστο για τον φωτισμό, τμήμα του υπερύθρου και εμείς το καταλαβαίναμε ως θερμότητα. Γι’ αυτό και τελικά αντικαταστάθηκαν σχεδόν παντού.
Γενικά όμως τα περισσότερα αντικείμενα γύρω μας και εμείς οι ίδιοι δεν συμπεριφερόμαστε ως τέλεια μέλανα σώματα. Το φως που εκπέμπουμε είναι μείγμα από ανακλώμενο, που έρχεται δηλαδή, χτυπάει επάνω μας και φεύγει, και από αυτό που παράγεται από τα μόρια του δικού μας σώματος και έχει άμεση σχέση με τη θερμοκρασία μας.
Για κάθε σώμα λοιπόν, αν θέλουμε να βρίσκουμε τη θερμοκρασία του όχι μέσω της επαφής με ένα συνηθισμένο θερμόμετρο, χρειάζεται να καταφύγουμε στο «μείγμα» ακτινοβολιών που αναφέραμε πριν, διότι αυτό έχει άμεση σύνδεση με τη θερμοκρασία. Υπάρχει μάλιστα και βοηθάει στους υπολογισμούς ένας συντελεστής εκπομπής που παίρνει τιμές από περίπου 0 για εντελώς ανακλαστικές επιφάνειες, έως 1 για κάτι που συμπεριφέρεται ως μέλαν σώμα. Για παράδειγμα, μια γυαλιστερή χρωμιωμένη επιφάνεια έχει συντελεστή 0,1, το τσιμέντο 0,54, το ανθρώπινο δέρμα 0,95-0,98 (βλέπε και εδώ: https://www.thermoworks.com/emissivity-table).
Κάτι σαν φωτογραφία
Για να βγει επομένως σωστά η θερμοκρασία ενός σώματος θα πρέπει πρώτ’ από όλα να φθάνει στη συσκευή μέτρησης όσο γίνεται λιγότερη ακτινοβολία άλλων σωμάτων που έχει ανακλαστεί από το προς μέτρηση σώμα. Διότι η επιπλέον αυτή ενέργεια, που όμως δεν έχει παραχθεί από το ίδιο το σώμα αλλά προστίθεται στη δική του, θα δώσει λάθος ένδειξη για τη θερμοκρασία του.
Θεωρητικά λοιπόν βάζοντας απέναντι από ένα σώμα και σε κοντινή από αυτό απόσταση μια ευαίσθητη στην υπέρυθρη ακτινοβολία επιφάνεια μπορείς να πάρεις με κάποια διαδικασία μετατροπής, από την ενέργεια που φθάνει στην επιφάνεια, την αντίστοιχη θερμοκρασία του σώματος χωρίς κάποιος ή κάτι να έλθει σε επαφή με αυτό.
Εκεί βασίζεται και η λειτουργία της θερμικής κάμερας, που δεν είναι φωτογραφική μηχανή. Το βασικό της κομμάτι σε μια τυπική περίπτωση είναι μια πλάκα με 640 Χ 480 πίξελ, δηλαδή κοντά στις 300.000 ευαίσθητα στην υπέρυθρη ακτινοβολία στοιχεία και από εκεί βγαίνει τελικά το αποτέλεσμα για τη θερμοκρασία σε διάφορα σημεία του σώματος που σημαδεύουμε. Με τη διευκρίνιση πως οι τυπικές εκείνες έγχρωμες εικόνες που ξέρουμε για την υπέρυθρη «φωτογράφιση» είναι στην πραγματικότητα πλαστές(!). Με την έννοια ότι έχει προσδιοριστεί αυθαίρετα και από πριν κάποια χρώματα να αντιστοιχούν σε διάφορες θερμοκρασίες. Ετσι δημιουργείται μια ψευδαίσθηση φωτογραφίας, με τις υψηλότερες θερμοκρασίες να αντιστοιχούν συνήθως σε πιο έντονα κόκκινες αποχρώσεις και τα πιο ψυχρά σημεία να εμφανίζονται περισσότερο προς το γκρι – μπλε.
Εκεί που αρχίζουν τα προβλήματα
Σε πρώτη προσέγγιση μια τέτοια συσκευή ή έστω και εκείνο το μικρό πιστόλι που σε σημαδεύει στο μέτωπο φαίνεται να είναι ιδανικές λύσεις για την πανδημία. Χωρίς επαφή, σε απόσταση ασφαλείας και σε χρόνο από μισό έως δύο δευτερόλεπτα, να έχεις τη θερμοκρασία ενός ατόμου.
Μήπως όμως είναι πολύ καλό για να είναι και αληθινό; Και δεν είναι μόνο το πολύ μεγάλο θέμα πως κάποιος μπορεί να είναι φορέας του ιού χωρίς να έχει πυρετό. Υπάρχουν και άλλες δυσκολίες για να ξεχωρίσει μέσα από το πλήθος έστω αυτός που έχει θερμοκρασία πάνω από 37 βαθμούς Κελσίου.
Στο εσωτερικό του σώματος σε σχέση με την επιφάνεια του δέρματος η θερμοκρασία είναι περίπου 2 βαθμοί υψηλότερη.
Η ακρίβεια μέτρησης στις διάφορες συσκευές ποικίλλει από 2 δέκατα του βαθμού έως και 2 ολόκληρους βαθμούς Κελσίου. Αν προσθέσουμε πως πολλοί επιχειρούν να πάρουν με το «πιστόλι» τη θερμοκρασία ανθρώπων που έχουν σταθεί για αρκετή ώρα σε ουρά μέσα στον ήλιο καταλαβαίνουμε πως τα αποτελέσματα δεν θα είναι σε πολλές περιπτώσεις ιδιαίτερα αξιόπιστα.
Το μέτωπο είναι από τα χειρότερα σημεία να στοχεύσει κάποιος για τη λήψη θερμοκρασίας διότι μπορεί να επηρεάζεται πολύ από την εξωτερική θερμοκρασία και την κάλυψή του (καπέλο, σκούφος, κρύο, παρατεταμένη έκθεση στον ήλιο). Βέβαια όταν ο άλλος φοράει και μάσκα και γυαλιά πού μένει να στοχεύσεις;
Το καλύτερο εξωτερικό σημείο του προσώπου για ακριβή μέτρηση είναι ο δακρυϊκός πόρος, στη γωνία του ματιού κοντά στη μύτη, όπου υπάρχει καλή ροή αίματος. Αλλά δεν είναι και τόσο εύκολο να στοχεύσει από μακριά κάποιος αυτό το σημείο του προσώπου, ιδιαίτερα όταν ο άλλος κινείται.
Ακόμη χειρότερη γίνεται η προηγούμενη περίπτωση όταν κάποιος φοράει γυαλιά ακόμη και με διάφανα κρύσταλλα. Οι υπέρυθρες ακτίνες ανακλώνται από το γυαλί και δεν το διαπερνούν, άρα δεν φθάνουν στην κάμερα. Οπότε και η στόχευση στο μάτι αποκλείεται.
Κάποιος που έχει πάρει αντιπυρετικό και έχει ρίξει τη θερμοκρασία του, είτε επίτηδες είτε χωρίς να υπάρχει κάποια δόλια πρόθεση, θα περάσει τον έλεγχο μάλλον ανενόχλητος.
Φαίνεται πως στην καλύτερη περίπτωση όλα αυτά τα «πιστόλια» και οι «κάμερες» θα μπορούν να βρουν κάποιους με πυρετό αλλά όχι να εξασφαλίσουν πως δεν θα κυκλοφορούν μέσα στο πλήθος ενός πολυκαταστήματος και φορείς του οποιουδήποτε ιού.
Η εντατική θερμομέτρηση των εργατών σε μια βιομηχανία κρέατος στην Αϊόβα, έτσι ώστε να τίθενται εκτός εργασίας όσοι παρουσίαζαν πυρετό, οδήγησε μια εργάτρια να κάνει υπερβολική χρήση του σκευάσματος Tylenol και αυτό να οδηγήσει στον θάνατό της…
Χωρίζοντας την ήρα από το σιτάρι
Οι πιο απλές συσκευές είναι αυτές με τη μορφή πιστολιού (temperature gun). Σε αυτές με τη βοήθεια μιας ακτίνας λέιζερ, που χρησιμεύει στην ακριβέστερη στόχευση και δεν συμμετέχει στη λήψη της θερμοκρασίας, ο χειριστής προσπαθεί να εγκλωβίσει ένα μέρος της εκπεμπόμενης θερμικής ενέργειας από ένα σημείο του σώματος για ελάχιστα δευτερόλεπτα. Στο εσωτερικό της συσκευής ένα βολόμετρο, δηλαδή μια μικρο-συσκευή που η αντίστασή της μεταβάλλεται σε συνάρτηση με τη θερμοκρασία της και μάλιστα πολύ διότι έχει μεγάλο συντελεστή ειδικής αντίστασης. Και όπως αναλύθηκε, η θερμοκρασία έχει σχέση με την ενέργεια που εκπέμπει κυρίως στην περιοχή του υπερύθρου το ανθρώπινο σώμα. Η απόσταση από τον άνθρωπο-«στόχο» παίζει ρόλο. Γι’ αυτό υπάρχει ο δείκτης D:S (distance-to-spot ratio), δηλαδή απόσταση προς διάμετρο στόχου. Μια τιμή 12:1 είναι καλύτερη από μια τιμή 10:1. Διότι επιτρέπει μέτρηση από μεγαλύτερη απόσταση. Οι θερμικές κάμερες αποδίδουν με μεγαλύτερη ακρίβεια τη θερμοκρασία διότι περιλαμβάνουν περίπου 300.000 μικρά βολόμετρα και επιτρέπουν τον χειρισμό τους από πιο μακριά. Πολλή προσοχή χρειάζεται ως προς τους ισχυρισμούς των κατασκευαστών ότι οι συσκευές τους μπορούν να κάνουν ταυτόχρονες θερμομετρήσεις σε πολύ περισσότερους από έναν ανθρώπους και μάλιστα καθώς εκείνοι κινούνται στις εισόδους αεροδρομίων, δημόσιων υπηρεσιών ή πολυκαταστημάτων.
