Rádiószondák A magaslégköri mérések története Rádiószondák (szenzorok, kalibráció, telemetria, multiplexing) AVäisälä rádiószondák Speciális rádiószondák (ózon, légköri elektromosság, radioaktivitás) 1 Makra László
1992: megalakul a Globális Klíma Megfigyelő Rendszer [Global Climate Observing System (GCOS)]; E rendszer magaslégköri mérőhálózata: GCOS Upper Air Network (GUAN); A WMO régióiban összesen 163 GUAN állomás működik; 6 rádiószonda gyártó működik; 67 ország tagja a globális GUAN-hálózatnak A GUAN-hálózat állomásainak 40 %-a naponta egy, vagy annál kevesebb rádiószondát bocsát föl; Az egymást átfedő repülési sorozatok költségesek; A GUAN-hálózat folyamatban lévő változásai: Rádiószonda változások; Algoritmus változások; változások az ellátóban; 2
A rádiószondák GUAN-hálózata a WMO régiói szerint, 2005 január 1. 3
Európai magaslégköri állomások Napi 4 felbocsátás 4
A magaslégköri mérések követelményei: (1) Pontos mérések a legfontosabb légköri paraméterekről (általában hőmérséklet, légnyomás és légnedvesség); (2) Ezen információk visszaküldése a földfelszíni állomásra, amilyen gyorsan lehetséges (hogy valódi idő adatokhoz jussunk); [(1) és (2) általában profilmérésekkel történik, ballon segítségével, ami a magasba viszi a műszereket, de repülőgépes adatokat is felhasználnak; (2) Végrehajtása után a szonda lehull (lizardszonda), vagy bizonyos feltételek esetén felrobban (crackerszonda);] 5
Papírsárkány által szállított szenzorok Handbook of Meteorological Instruments (Part 2: Instruments for upper air observations), HMSO, 1961 6
Dines-féle sárkány meteorográf Handbook of Meteorological Instruments (Part 2: Instruments for upper air observations), HMSO, 1961 7
Dines-féle ballon meteorográf (1907-1939) ezüsttel bevont írólemez hajszálas nedvességmérő egység bimetall csík (hőmérséklet) aneroid kapszula (légnyomás) Handbook of Meteorological Instruments (Part 2: Instruments for upper air observations), HMSO, 1961 8
Rádiószondák Kis méretű rádióadók a ballon által szállított szenzor jelezte adatokat a földfelszíni vevőállomásra továbbítják. 1939: Meteorológiai Intézet, Kew, UK, az első sikeres rádiószonda felbocsátás; 1945 1960-as évek: Mark2 rádiószonda (javított verzió); A rádiószondák működéséhez az alábbiak szükségesek: Szenzorok (elektronikus jeltovábbítással) Rádiótelemetria (adattovábbító rendszer) Elemek (melyek alacsony hőmérsékleten működnek) ballonok és ejtőernyők 9
Szenzorok A szenzoroknak elektronikus jeleket továbbítanak, melyek frekvenciává alakíthatók, rádiótovábbítás céljából. Ennek eléréséhez a mechanikai szenzorok össze vannak kapcsolva a jelátalakítókkal. Példaként vegyük a légnyomás szenzort. Az aneroid kapszula kis méretű mechanikai változásai egy vasmagot mozgatnak az induktoron (áramfejlesztőn) belül. Az áramfejlesztés megváltozása a rádiókapcsolat révén a közvetlenül továbbított audio frekvencia változásához vezet. A rádiószondákban használatos szenzorok a következők: Hőmérséklet: bimetall csíkok (mechanikai), ellenállás huzal (elektromos); Légnedvesség: hajszál, vagy aranyütőhártya (mechanikai), humicap (elektromos); Légnyomás: aneroid (mechanikai, vagy elektromos); 10
Rádió telemetria Egy egyszerű (hordozó) rádióhullámot módosítanunk kell (moduláció) ahhoz, hogy azzal információt továbbíthassunk. Ez a módosítás általában vagy AM (amplitúdó moduláció), vagy FM (frekvencia moduláció). AM információ továbbított jel FM 11
Multiplexing Ha egynél több jeladás szükséges, mint ahogy a rádiószonda három különböző jelet ad (hőmérséklet, légnedvesség és légnyomás), a rádióadót felváltva össze kell kötni a szenzorokkal. Ennek az eljárásnak a neve: multiplexing. Ha a három jel lényegesen eltérő, vagy az összekapcsolás rendje ismert, az egyes jelek visszanyerhetők. Handbook of Meteorological Instruments (Part 2: Instruments for upper air observations), HMSO, 1961 Multiplexing összekapcsolás 12
Mk2 MO rádiószonda szenzorok melegedő elektroncsövek a rádióadóban vevő a szél által működtetett multiplexing összekapcsolás 13 Handbook of Meteorological Instruments (Part 2: Instruments for upper air observations), HMSO, 1961
Kalibrálás A rádiószondák szenzorait kalibrálni kell, ha azt szeretnénk, hogy szélsőséges környezeti feltételek közepette is pontos méréseket végezzenek. A kalibrálás azt kívánja, hogy a szenzorokat ellenőrzött körülmények között tegyük ki azon szélsőséges környezeti feltételek teljes tartományának, amelyek azokat érik működésük közben. A kalibráció eredményei alapján egy válaszfüggvényt szerkesztenek, amelyből előálló egyenletet arra használják, hogy összekapcsolják a szenzor által kapott értékeket annak a paraméternek a nagyságrendjével, amit az érzékel. A precíz válaszfüggvény egyedi minden szenzor számára, amit a vevőkomputerek használnak arra, hogy a kapott adatokat fizikai jelentéssel bíró értékekké transzformálják. A válaszfüggvények tipikusan polinomiális függvények, számos együtthatóval, hogy lefedjék a szükséges értékek terjedelmét. Minden egyes rádiószondának megvannak a rá megadott együtthatók. 14
Kalibrálás 15
Mk3 MO rádiószonda 16
Mk3 rádiószonda hőmérő (ellenállás huzal) hungarocell ház forgó multiplexing kapcsoló 17
Vaisala RS80 rádiószonda hőmérséklet szenzor relatív nedvesség szenzor ( humicap ) (Vaisala) 18
RS80 specifikáció (Vaisala) 19
Windfinding a szélirányok megállapítása Ha a rádiószonda helyzete ismert, és föl van jegyezve, akkor mozgásának iránya a pozícióinak együtteséből meghatározható. Ez lehetővé teszi a szélirányok megállapítását, amit gyakran úgy hívnak, hogy: windfinding. Következésképp, a szélirány- és szélerősség profil térképezhető. A rádiószonda helyzete különböző módszerek segítségével állapítható meg: Nyomon követés radarral; Globális Helymeghatározó Rendszer (Global Positioning System = GPS) vevő használata a szondán, helyzetének meghatározásához; A LORAN helymeghatározó rendszer használata a szondán, helyzetének meghatározásához; 20
GPS műhold rendszer 21
RS90 rádiószonda (Vaisala) 22
RS90 specifikáció (Vaisala) 23
Speciális rádiószondák A rádiószondák számos szenzort hordozhatnak, akár a hőmérséklet, a légnyomás és a légnedvesség standard meteorológiai szenzorai helyett, akár azok mellett. A légkör tulajdonságai és paraméterei széleskörűen tanulmányozhatók a módosított rádiószondákkal: Ózon; Légköri elektromosság (töltések és elektromos mezők a felhőkön és a zivatarokon belül); Radioaktivitás; Azon rádiószondák, melyek a légköri ózonprofilt mérik: az Ózonszondák. 24
Kew-Oxford ózonszonda Egy ózoncellát tartalmaz, amelyben káliumjodid közreműködésével egy elektromos reakció megy végbe. Amikor a cellán ózon halad át, jód képződik, amely csekély áramot indukál. From Brewer and Milford, Proc Roy Soc, 256 1960 25
Ózonprofilok From Brewer and Milford, Proc Roy Soc, 256 1960 26
Légelektromos rádiószondák Elektromos mező próbamérések: A feszültség változik a magassággal potenciális gradiens pára réteg Venkiteshawaran S.P. Measurement of the electrical potential gradient and conductivity by radiosonde at Poona, India, pp89-100 In Smith L.G. (1958) Recent advances in atmospheric electricity, Pergamon Press 27
Töltéseloszlás zivatarfelhőkben Stolzenburg et al. (1998) 28
Felhőn belüli mérések A ballon által szállított műszereket Readingben tervezték azon célból, hogy alkalmassá tegyék őket felhőn belüli mérésekre. Ezek a következő tulajdonságokkal rendelkeznek: Érzékelik a repülőgépek kipufogógázaiban található töltött részecskéket; Érzékelik a vékony, állandó és erősen töltött rétegeket; szenzor válaszok a töltés változásaira Harrison R.G. Rev Sci Inst 72, 6 pp2738-2741 (2001) 29
RS80 radioaktivitás mérő szonda (Vaisala) Geiger csövet tartalmaz, méri a béta és a gamma radioaktivitást, valamint a standard hőmérsékletet, a légnyomást és a légnedvességet. 30