Un Occhio in più

Letteralmente il termine termografia significa “trascrizione della temperatura”. La termografia è un metodo d’analisi utilizzato da quasi duecento anni in ambiente scientifico che ha trovato numerose applicazioni; dapprima, come spesso succede, in campo militare per poi essere utilizzato con ottimi risultati in campo medico-sanitario ed in quello industriale. Con la termografia è possibile rilevare i diversi valori di temperatura associati all’emissione di radiazione, da parte di un corpo, nella banda dell’infrarosso.

Termogrammi
Se i nostri occhi, invece che esser strutturati per vedere le immagini nella banda del visibile, fossero “tarati” su quella dell’infrarosso, avvertirebbero la presenza di altre persone e di cose sotto forma di “immagini termiche”, sfruttando la radiazione infrarossa emessa da ogni corpo e dovuta allo scambio termico che questo ha con l’ambiente circostante (sia questo l’aria della nostra atmosfera o l’acqua del mare). Queste immagini termiche sono dette termogrammi. Fu lo scienziato inglese John Herschel a dare il nome di termogramma a delle immagini da lui ottenute nei suoi primi esperimenti di fotografia, proprio nella banda dell’infrarosso. La radiazione infrarossa era stata scoperta da suo padre Sir William Herschel agli inizi dell’ottocento, mentre studiava la distribuzione di energia della luce emessa dal Sole. Da allora l’evoluzione dello studio dei termogrammi ebbe un notevole impulso sia per le implicazioni militari che prometteva di sviluppare, sia per lo studio non invasivo degli organi interni del corpo umano in campo medico. Questa capacità non invasiva, che permette lo studio dell’interno di un corpo, sia esso un essere vivente, la struttura di un palazzo, l’insieme dei circuiti elettrici all’interno di una cabina, senza doverlo per forza distruggere è, ancora oggi la fortuna della termografia. All’inizio i termogrammi erano delle semplici foto, istantanee in grado di restituire un’immagine termica fissa. Con l’invenzione del tubo catodico si è giunti alle termo camere, camere di ripresa che convertono la radiazione infrarossa emessa da un oggetto in segnali video, leggibili su di uno schermo. L’immagine termica era in scala di grigi. Ad ogni grado di grigio corrispondeva una data temperatura. L’era digitale ha portato ad un’ulteriore evoluzione della termografia. Al posto dell’ingombrante tubo catodico, i dispositivi moderni adottano sensori digitali, piccoli e leggeri, che hanno permesso di produrre, anche in scala industriale, apparecchi portatili. Le immagini in bianco e nero adesso sono state sostituite dalle più comprensibili rappresentazioni a colori anche se questi non sono reali; ad ogni grado di grigio la macchina associa un colore differente.

Se la magnifica Andrea Doria, che vi proponiamo in questa foto del 1952, grazie alla Fondazione Ansaldo, in quel maledetto 25 giugno del 1956, avesse avuto a bordo una delle moderne termocamere di cui oggi fortunatamente disponiamo, non ci sarebe stata la collisione che l’ha affondata.

Analisi non invasiva
La veloce evoluzione ed il passaggio dall’era analogica a quella digitale ha permesso lo sviluppo di una vasta gamma di prodotti che mantengono la caratteristica non invasiva, propria di questi strumenti d’indagine. La parte del leone l’ha fatta per molti anni l’industria bellica. Il sogno di “vedere” il nemico senza essere visti e di puntarlo facendosi guidare dal calore da lui emesso, ha alimentato la ricerca in questo campo. Ed anche noi che abborriamo la guerra non possiamo fare troppo gli schizzinosi: i moderni visori ad infrarossi e le termo camere utilizzate in campo civile, non sarebbero disponibili in commercio a prezzi accessibili se la guerra non ne avesse fatto da tempo febbrile richiesta. Il successivo step di sviluppo è avvenuto in campo medico. Le termo camere sono utili per la diagnosi di malattie di natura neoplastica (ove un focolaio caldo può essere indice della presenza di una massa tumorale), oppure per intervenire tempestivamente in soggetti a rischio trombosi (nei quali un focolaio freddo rappresenta una zona dove la circolazione sanguigna è resa problematica da un’ostruzione vascolare). Sfruttando la possibilità di visualizzare valori assoluti e variazioni di temperatura degli oggetti, indipendentemente dalla loro illuminazione nel campo del visibile, le termo camere sono utilizzate per monitorare le linee di corrente ed il corretto funzionamento di apparati elettrici senza dover manipolare direttamente fili e collegamenti, con un grande vantaggio dal punto di vista della sicurezza. L’utilizzo in campo industriale ha avuto un ulteriore sviluppo con l’ingresso in commercio di termo camere “da braccio”, piccole e leggere quanto un voltmetro e ricchissime di tecnologia. Come accennato, le immagini un tempo in scala di grigio, ora sono sostituite da più leggibili rappresentazioni in falsi colori, ognuno relativo ad un livello di grigio. Le termo camere rivelano la presenza di tubi o cavità all’interno di muri e permettono di scoprire vecchie strutture, nascoste da successivi interventi. In questo senso le camere termografiche sono diventate uno strumento utilissimo per l’indagine archeologica e per il lavoro di restauro o per la salvaguardia di beni artistici ed architettonici.

Termografia nella nautica
Le immagini termiche sono utilizzate anche dai mezzi di soccorso. Sembra ieri, ma è passato ormai più di un anno dal naufragio della nave da crociera Costa Concordia. Le immagini notturne dei passeggeri, disperatamente aggrappati allo scafo della nave, le sagome delle persone in mare, il profilo affusolato della prua della nave, lo squarcio sulla fiancata, visibile nitidamente nonostante l’oscurità e quello bruno delle rocce, a pochi metri dal relitto, sono state ottenute con termocamere ed hanno permesso ai mezzi di soccorso di orientare gli aiuti dove era ben visibile, nonostante il buio, la presenza di persone. In nome di una maggiore sicurezza in mare, la nautica, sia commerciale che da diporto, ha da tempo adottato strumenti termografici che aiutano a rilevare ostacoli nascosti e pericolosi ed uniti a sonar e Gps rappresentano un “pacchetto sicurezza” molto affidabile e preciso. La più importanti aziende di elettronica di bordo hanno inserito in catalogo apparecchiature ad infrarosso. Ad esempio la Raymarine (recentemente acquisista da Flir, costruttore leader in campo termografico) propone due soluzioni: le termocamere della T-Series e le portatili TH-Series. La T-Series è progettata per interagire con le altre strumentazioni di bordo. Consente una massima sicurezza in navigazione, è lo strumento più adatto per individuare un eventuale presenza di uomo in mare, aiuta a governare l’imbarcazione in porto anche in assenza di luce e può essere utilizzata come strumento di sorveglianza della barca. Le termocamere TH- Series hanno le dimensioni di una normale videocamera, comprendono la maggior parte delle funzioni presenti nei modelli fissi ed hanno un raggio utile di utilizzo che, in condizioni di buona visibilità, può arrivare a circa un chilometro. Questi strumenti, come tanti altri che si affacciano in questi mesi sul mercato, hanno dato un nuovo sviluppo alla ricerca in fatto di elettronica di bordo, spostando ancora una po’ più in là il paletto della sicurezza in mare, soprattutto nella navigazione notturna.

Corpo Nero
La radiazione elettromagnetica può essere suddivisa in diverse bande, in funzione della frequenza dell’onda associata: radio, microonde, infrarosso, visibile, ultravioletto, raggi X ed infine raggi gamma. Per studiare i fenomeni legati all’emissione di radiazione si utilizza la legge dello “spettro di emissione da corpo nero” che, insieme all’effetto fotoelettrico scoperto da Einstein ed all’effetto Compton, ha infranto, all’inizio del ‘900, le certezze della fisica classica ed aperto la via alla moderna meccanica quantistica. Per “corpo nero” si definisce una superficie che emetta radiazione. In questo senso non è necessario stabilire quale sia il meccanismo alla base dell’emissione, ma si studia semplicemente la natura della radiazione emessa. La superficie di una fonte luminosa, come una lampadina o lo stesso Sole, può essere studiata come corpo nero che emette ad una data frequenza d’onda nella banda visibile; le pareti interne di un forno a microonde o la superficie di una piccola parabola per la trasmissione a breve distanza sono superfici che emettono come corpo nero; la nostra pelle può essere considerata come la superficie che racchiude il corpo, ed emette radiazione come corpo nero ad una temperatura pressoché costante di 36,6 gradi, rilevabile nella banda infrarosso. La legge che lega tutti i fenomeni di emissione da corpo nero può essere espressa come segue: L = S s T4, dove L è la luminosità, S è l’area della superficie che emette, s è una costante, detta di Stefan - Boltzmann e T è la temperatura. Misurando quindi la luminosità di un corpo e conoscendo l’area dello stesso, è possibile risalire alla temperatura relativa. Da questa, sfruttando l’identità kT = hn, dove k e h sono due costanti, si ottiene finalmente la frequenza n associata all’emissione.