Φωτογραφίζοντας τον αέρα (φωτογραφία schlieren)

Η φωτογράφιση schlieren (σημαίνει «ραβδώσεις» στα γερμανικά) δεν είναι καθόλου πρόσφατη  ανακάλυψη, καθώς πρώτος τη χρησιμοποίησε ο γερμανός φυσικός August Toepler το 1864 για να φωτογραφήσει υπερηχητική ροή.

Παραμένει όμως πάντα εντυπωσιακή και «μαγική», καθώς κάνει να εμφανιστεί κάτι που θεωρούμε κατά βάση αόρατο.

Κλασική φωτογράφιση με μέθοδο schlieren του θερμικού κύματος από φλόγα. Η μέθοδος δουλεύει το ίδιο καλά σε ασπρόμαυρη και έγχρωμη φωτογράφιση.

Συνήθως χρησιμοποιείται για να κάνει ορατές κινήσεις αέρα που οφείλονται σε θερμικά φαινόμενα, ή διαφορές πιέσεων που οφείλονται σε ηχητικά φαινόμενα, ενώ η πιο «εξωτική» χρήση της είναι να κάνει ορατά τα κωνικά κύματα πίεσης που δημιουργούνται από αντικείμενα κατά την υπερηχητική κίνησή τους.

Υπάρχουν διάφορες μέθοδοι για να δημιουργήσει κανείς μια φωτογραφία schlieren, αλλά όλες χρησιμοποιούν την αρχή της διαφορετικής διάθλασης του φωτός, όταν διέρχεται από περιοχές αέρα που έχουν διαφορετική πυκνότητα από το υπόλοιπο περιβάλλον.

Επειδή οι διαφορές αυτές είναι πολύ μικρές, η όλη φωτογραφική διάταξη είναι πολύ ευαίσθητη στην κίνηση και χρειάζεται πολλή καλή ποιότητα οπτικών συστημάτων, πολύ σταθερό «αντισεισμικό» υπόβαθρο και αδιατάρακτο περιβάλλον από ξένα ρεύματα και κινήσεις αέρα.

Μια απλή «γεύση» του φαινομένου που αξιοποιεί η μέθοδος schlieren, μπορεί να μας δώσει ο «κυματισμός» των μακρινών αντικειμένων όταν τα παρατηρούμε επάνω από μία πολύ θερμή επιφάνεια, όπως επάνω από την άσφαλτο μια ηλιόλουστη καλοκαιρινή ημέρα, αλλά και η «στίλβη» των άστρων στον νυκτερινό ουρανό οφείλεται στο ίδιο φαινόμενο.

Αν και η υλοποίηση μιας διάταξης schlieren όπως προαναφέρθηκε δεν είναι απλή, η αρχή λειτουργίας της είναι, όπως παρουσιάζεται παρακάτω.

Επεξήγηση της φωτογράφισης schlieren από την ΟSA (Optical Society of America).

Μία σημειακή (πολύ σημαντικό να έχει ελάχιστες διαστάσεις) φωτεινή πηγή στα αριστερά τοποθετείται στο εστιακό κέντρο του πρώτου φακού, έτσι ώστε οι ακτίνες της μετά τον φακό να γίνουν παράλληλες (η παραλληλότητα δεν είναι απαραίτητη, αλλά βοηθάει στην επεξήγηση).

 Οι ακτίνες αυτές διέρχονται από την περιοχή όπου ο αέρας «αναταράσσεται» από θερμική ή ηχητική αιτία (μπλέ περιοχή για την απεικόνιση, στην πραγματικότητα εξίσου διάφανη).

Στον κάτω αριστερό κύκλο μεγέθυνσης, φαίνεται ότι αυτή η αλλαγή στο δείκτη διάθλασης που συμβαίνει εξ αιτίας της αλλαγής πυκνότητας του αέρα τοπικά (μπλέ περιοχή) κάμπτει τις ακτίνες που θα περάσουν από μέσα της διαφορετικά, σε σχέση με τις ακτίνες που θα κινηθούν μέσα στον αδιατάρακτο αέρα.

Έτσι στον δεύτερο φακό (δεξιά) οι ακτίνες δεν θα έλθουν όλες ομοιόμορφες (παράλληλες στο σχήμα), με αποτέλεσμα αν βάλουμε ένα πολύ μικρό διάφραγμα στο εστιακό κέντρο του δεύτερου φακού, οι ακτίνες που είχαν περάσει μέσα από τη «μπλε» περιοχή να βρεθούν εκτός εστίασης και να «κοπούν» από το διάφραγμα (κάτω δεξιός κύκλος μεγέθυνσης).

Αν οι ακτίνες στη συνέχεια, με κλασικές φωτογραφικές διατάξεις συγκεντρωθούν σε μία φωτογραφική επιφάνεια, οι ακτίνες που λείπουν θα δημιουργήσουν σκιές που αντιστοιχούν στις περιοχές διαφορετικής πυκνότητας της «μπλε» περιοχής, κάνοντάς την ορατή. 

Υπερηχητικό βλήμα. Διακρίνονται τόσο τα δύο κωνικά κρουστικά κύματα (ένα στο εμπρός και ένα στο πίσω άκρο του βλήματος), όσο και η λεπτή γραμμή της τυρβώδους ροής ακριβώς πίσω από το βλήμα. Ο μεγάλος κύκλος προέρχεται από το ηχητικό κύμα της εκπυρσοκρότησης, ενώ στο κέντρο φαίνεται η διαταραχή από τα αέρια καθώς εξέρχονται από την κάννη.

Η φωτογράφηση schlieren μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την απεικόνιση διαφορετικών πυκνοτήτων, πέρα από τα αέρια και σε διάφανα υγρά που δημιουργούν ανομοιογενή μίγματα ή διαλύματα, αρκεί να δημιουργείται αλλαγή στο δείκτη διάθλασης.

Και παρότι σήμερα η υπέρυθρη φωτογράφιση παράγει εξίσου εντυπωσιακές και χρήσιμες εικόνες «χαρτογράφησης» θερμών ή κρύων επιφανειών, δεν αποτελεί υποκατάστατο για τη φωτογράφιση schlieren.

Σχετικά πρόσφατα, η NASA στα πλαίσια έρευνας για τη μείωση της έντασης του υπερηχητικού κρουστικού κύματος, ανέπτυξε τη μέθοδο BOSCO (Background Oriented Schlieren using Celestial Objects) που επιτρέπει τη φωτογράφιση των κρουστικών κυμάτων που δημιουργεί ένα αεροσκάφος, είτε από το έδαφος (με τηλεσκόπιο) είτε από ένα συνοδευτικό αεροσκάφος, εφόσον ο στόχος κινείται εμπρός από τον ήλιο ή τη σελήνη. 

Με τον τρόπο αυτό γίνεται εύκολη η φωτογράφιση των ηχητικών κυμάτων σε πραγματικές συνθήκες και όχι μόνον σε εργαστηριακές με μοντέλα, κάτι που διευκολύνει και επιταχύνει κατά πολύ τη σχετική έρευνα.

Ένα Τ-38 περνά με υπερηχητική ταχύτητα εμπρός από τον δίσκο του ήλιου. Η φωτογραφία έχει ληφθεί με ειδικό φίλτρο και στη συνέχεια έχει υποστεί επεξεργασία με ειδικό λογισμικό της NASA.

Η έρευνα αυτή είναι καθοριστική για την παραγωγή του μελλοντικού εμπορικού υπερηχητικού αεροσκάφους, ο κύριος περιορισμός στη σχεδίαση του οποίου είναι η μείωση της έντασης του υπερηχητικού κρουστικού κύματος που θα φθάνει στο έδαφος. Αυτό ήταν και το βασικό πρόβλημα στη χρήση του Concord (μέχρι την κατάργησή του το 2003), που όμως οι νέες εξελίξεις στην αεροδυναμική υπόσχονται να λύσουν σε μεγάλο βαθμό για τον μελλοντικό διάδοχό του.