Тепловизор позволил взглянуть на крылья бабочек по-новому

Оказывается, бабочки столь же поразительны как в тепловом, так и в видимом спектре света. Согласно исследованию, опубликованному в журнале Nature исследователями из Columbia Engineering и Гарвардского университета, можно изучить термодинамические свойства крыльев бабочки и важность радиационного охлаждения для поддержания этих хрупких структур в движении. Нанфанг Ю, адъюнкт-профессор прикладной физики в Колумбийском университете, так описывает важную роль тепловидения в исследовании.

«Это самый бесконтактный способ измерения температуры», — объясняет Ю. В ходе исследования команда определила сложные живые структуры в крыльях бабочки, которые помогают в терморегуляции. С тепловизионной камерой, «вы сможете видеть скелет бабочки», — говорит Ю. «Это почти как рентген — вы видите каркас, прожилки крыльев, мембрану… все поперечное сечение материала крыла». В тепловом свете все яркие цвета и узоры крыла бабочки исчезают, и вместо этого вы видите основную структуру самого крыла.

Прошлые исследования крыльев бабочки ограничивались использованием такого оборудования, как термопары, для измерения температуры. Даже самые маленькие зонды слишком большие в сравнении с толщиной крыла бабочки, и процесс измерения может повлиять на локальную температуру. Дополнительные неточности могут возникать из-за того, что измерения выполняются только по точкам. Благодаря тепловизору «вы сможете измерить и нанести на карту все распределение температуры». Его команда смогла увидеть и измерить разницу температур между жилками крыльев, мембраной. Они обнаружили, что участки крыльев бабочки, содержащие живые клетки (вены крыльев), имеют более высокую теплоотдачу, чем «неживые» участки крыла (мембраны).

Измерение температуры крыльев бабочек с помощью тепловизора не лишено трудностей. «Проблема состоит в том, что в случае с крылом бабочки тепловизионная камера дает вам показания температуры, но вы не можете доверять данным показаниям температуры». «Крыло бабочки полупрозрачно в инфракрасном диапазоне, поэтому, когда вы смотрите на крыло бабочки через тепловизионную камеру, вы получаете не только тепловое излучение самого крыла, но и тепловое излучение, создаваемое фон за крылом». Аналогичное явление можно наблюдать с тонким листом пластика, например пластиковым пакетом для продуктов, который, как и крыло бабочки, непрозрачен в видимом спектре света, но прозрачен в инфракрасном диапазоне.

Ткие сверхтонкие материалы, как пластиковые пакеты или крылья бабочек, могут быть прозрачными в инфракрасном спектре. Чтобы получить истинные показания температуры крыла бабочки, команде Ю пришлось количественно определить излучательную и отражательную способность крыла и удалить эти источники фоновой температуры из своих измерений.

В дополнение к составлению карт теплового распределения по крыльям бабочки, исследователи также провели поведенческие исследования, которые они наблюдали при использовании тепловизора. Используя небольшой свет в качестве источника тепла, они продемонстрировали, что бабочки используют свои крылья, чтобы чувствовать направление и интенсивность солнечного света. При начальной температуре около 40°C все изученные ими виды поворачивались в течение нескольких секунд, чтобы избежать света и не допустить перегрева своих крыльев.

Из-за своей небольшой теплоемкости, насекомые могут нагреваться до экстремальных температур за несколько секунд.

Тепловизионное изображение помогает понять, как бабочки предотвращают перегрев своего тела.