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Abstract

The lava temperature is an important characteristic quantity of a volcano. It is closely linked with the composition of the magma and the volcanic activity. It also partly affects the composition of volcanic gases, which are of great interest because of their influence on short therm atmospheric processes and climate. Thus, measurements of the temperature of lava are important for many volcanic studies.

Most of the commercially available thermal cameras, which work in the relevant temperature range of about 600 to 1100°C, are rather expensive. This study shows, that with alternative approaches, that are based on the sensitivity of the silicon based sensors of consumer digital cameras in the near-infrared (up to about 1100 nm), temperatures of ca. 500°C and higher can be measured. In this thesis a compact digital consumer camera is used for the measurement of the temperature distribution of lava with high spatial resolution (16 MP). The camera was modified to block the visible spectrum and the characteristics of the remaining color filter (Bayer filter) are used to infer temperature from differential intensities. To do so a calibration with a heating wire is performed within the temperature range of 600 to 1100°C, which demonstrated the feasibility of temperature measurements with sufficient accuracy. Besides the low costs, superior mobility and simple handling, the high spatial resolution allows for temperature measurements even in highly dynamic situations.

Translation of abstract (German)

Die Temperatur von Lava ist eine wichtige charakteristische Größe von einem Vulkan. Sie hängt eng mit der Zusammensetzung der Magma und der vulkanischen Aktivität zusammen. Außerdem beeinflusst sie unter anderem die Zusammensetzung der vulkanischen Gase. Diese sind aufgrund ihres kurzfristigen Einflusses auf atmosphärische Prozesse und das Klima von großem Interesse. Messungen der Lavatemperatur sind folglich für viele Studien von Vulkanen wichtig. Die meisten kommerziell erhältlichen thermalen Kameras, welche in dem relevanten Temperaturbereich von ca. 600 bis 1100°C arbeiten, sind eher teuer. Zudem ist die räumliche Auflösung zumeist recht beschränkt. Diese Arbeit zeigt, dass mit alternativen Ansätzen, welche auf der Sensitivität der Silizium-basierten Sensoren von herkömmlichen Digitalkameras im nahinfraroten Bereich (bis ca. 1100 nm) basieren, Temperaturen ab ca. 500°C gemessen werden können.

In dieser Arbeit wird eine kompakte Digitalkamera zur Messung der Temperaturverteilung von Lava mit hoher räumlicher Auflösung (16 MP) vorgestellt. Die Kamera wurde modifiziert, sodass das sichtbare Spektrum blockiert wird, und die Eigenschaften der verbliebenen Farbfilter (Bayer-Filter) werden genutzt, um mit differentiellen Intensitäten auf die Temperatur zu schließen. Dazu wird eine Kalibration mit einem Heizdraht im Temperaturbereich von 600 bis 1100°C durchgeführt, was die Realisierbarkeit von Temperaturmessungen mit hinreichender Genauigkeit demonstriert. Neben den geringen Kosten, der hervorragenden Mobilität und der einfachen Handhabung, erlaubt die hohe Auflösung Temperaturmessungen auch in hochdynamischen Situationen.