Mediciones en altura. Licenciatura en Ciencias de la Atmósfera Principios Básicos de Mediciones Atmosféricas Diciembre 2011.

Transcripción

1 Mediciones en altura Licenciatura en Ciencias de la Atmósfera Principios Básicos de Mediciones Atmosféricas Diciembre 2011 Noelia Misevicius

2 Sumario Introducción Métodos para realizar mediciones en altura Globos Medición del viento Radiosondas Error de exposición

3 Mediciones en altura INTRODUCCIÓN Las predicciones meteorológicas comienzan con la observación en superficie a horas fijas. Todos estos valores se canalizan a través de los distintos Institutos y Servicios Meteorológicos mediante una red mundial de comunicaciones meteorológicas. Pero toda esta información que sucede en la superficie terrestre, sólo nos aporta una visión pequeña de la situación atmosférica que se está produciendo en dicho nivel. Para completar el análisis de la atmósfera son necesarios datos en la vertical; para esto se utilizan principalmente globos sonda y satélites meteorológicos.

4 Métodos para realizar mediciones en altura Sensores Remotos Sistemas de detección y medida a distancia. Los sensores remotos se clasifican de acuerdo a la fuente de energía que utilizan para capturar información sobre un objetivo en sensores activos y sensores pasivos. Los sensores activos, son aquellos que emiten energía sobre el objeto y reciben la señal reflejada por el mismo. Los sensores activos más comunes son los sensores de RADAR, estos sensores trabajan en el rango de las microondas. Los sensores pasivos, son aquellos que utilizan fuentes externas de energía para obtener información de los objetos. La mayoría de los sensores utilizados para la observación de la tierra son pasivos, estos sensores generalmente trabajan sobre el rango del visible dentro del espectro electromagnético.

5 Métodos para realizar mediciones en altura Sensores Remotos Ejemplos: Perfiles de temperatura, humedad, densidad, etc. pueden ser estimadas desde satélites usando múltiples radiómetros de banda estrecha. Estos son sensores pasivos que miden radiación de onda larga desde la atmosfera. Perfiles de temperatura puede estimarse a partir de satélites mediante la medición de la radiación infrarroja emitida por el CO2 y O2 en la atmosfera. Los vientos pueden estimarse a partir de movimientos de las nubes o mediante el cambio de frecuencia Doppler (se puede complementar por RASS- sistema de sondeo acústico de radio). Un sensor activo se utiliza para estimar la precipitación. Ventaja de los instrumentos de transmisión por satélite: Puede cubrir toda la tierra con una excelente resolución espacial. El tiempo de resolución puede ser bueno, dependiendo de el número de satélites y la órbita a utilizar.

6 Métodos para realizar mediciones en altura Plataformas in-situ Aviones instrumentados pueden hacer mediciones a lo largo de la trayectoria de vuelo con una amplia gama de variedad de paquetes de instrumentos. Los cohetes también se han utilizado para llevar paquetes especiales de instrumento a grandes alturas. Un simple globo pueden ser seguidos por radar o un teodolito para obtener los vientos a lo largo de la trayectoria de vuelo del globo a medida que asciende. Cuando está equipado con un paquete de instrumentos o sonda puede medir la presión, temperatura y humedad, además de los vectores del viento.

7 Globos Categorización: de acuerdo al color, tamaño y extensibilidad. Los Globos Pilotos son seguidos visualmente para determinar los vientos horizontales. No llevan una carga útil (sin instrumentos), de modo que son más pequeños, con un peso de 10 a 100 g. Los Globos sonda llevan una carga útil y son más grandes, con un peso 600 a 1800 g. Los globos son inflados con hidrógeno o helio. La velocidad de ascenso de un globo es una función de la elevación del globo, el peso y la carga útil. La fuerza de sustentación total en un globo es, donde D = diámetro del globo, m, ρ = densidad del aire, kgm -3, ρ B = densidad del gas en el globo (hidrógeno o helio), kgm -3, g = aceleración de la gravedad, ms -2, la masa total es m T = F T / g.

8 Globos La fuerza de sustentación libre es la fuerza de sustentación total menos la masa del globo y la carga útil, donde m B = masa del globo, en kg, y m p = masa de la carga, kg. Como antes, la masa de sustentación libre es m L = M T - m B - m p.

9 Mediciones de viento La velocidad horizontal del viento puede ser determinada por el seguimiento de un globo. En el caso de ser un Globo Piloto, mediante un teodolito, teodolitos dobles o por un radar. En el caso de un Globo Sonda, algunos métodos adicionales son disponibles tales como el teodolito de radio y el uso de GPS. Desde que los globos son caracterizados por la gran superficie y poca masa, por lo general siguen el flujo principal del viento. La fuerza ejercida sobre un globo por el viento es, donde m B = masa del globo, kg, V= velocidad del viento horizontal, ms -1, V B =velocidad horizontal del globo, ms -1, C D =coeficiente de resistencia aerodinámica del globo, ρ =densidad del aire, kgm -3, y A = área de sección transversal.

10 Mediciones de viento Si suponemos que la velocidad del globo es aproximadamente igual a la velocidad del viento, podemos simplificar este ecuación a donde y la constante de tiempo Ǝ es inversamente proporcional a la velocidad del viento. Para globos, m B es pequeño y A es grande de manera que Ǝ es pequeño. Así, el globo se acelera y desacelera rápidamente siguiendo el viento. Por lo tanto, la suposición de que el globo sigue el viento parece estar bien justificada.

11 Mediciones de viento - Teodolitos Un globo piloto se pueden rastrear visualmente con un simple teodolito que mide el azimut, en relación con el Norte geográfico, y el ángulo de elevación. Si la velocidad de ascenso del globo es conocida, la posición del globo puede ser determinada y la velocidad del viento deducida de las sucesivas posiciones del globo. Este método es todavía limitado al rango visual y no es satisfactorio cuando hay nubosidad.

12 Mediciones de viento Teodolito de radio Con un radiosonda, un globo equipado con un paquete de instrumentos que transmite los datos medidos a tierra mediante un pequeño transmisor de radio, la posición puede ser determinado por un teodolito de radio, o radiogoniómetro, que rastrea la señal de radio desde el radiosonda. Combinada con la presión reportado por una sonda, la posición completa, y por lo tanto los vientos, se puede determinar. El tamaño de la antena de radio del teodolito está directamente relacionada con la frecuencia de transmisión de la sonda. Cuanto mayor sea la frecuencia, menor será la antena necesaria. Por lo tanto, teodolitos de radio funcionan mejor con sondas de alta frecuencia. La frecuencia habitual es de 1680 MHz.

13 Mediciones de viento Radar Si el globo lleva un reflector, éste puede ser seguido por radar que mide la distancia oblicua al globo y los ángulos de azimut y elevación. A partir de estos datos, la posición, incluyendo la altura, puede ser calculada. El radar mide ángulos con una precisión de 0,1 º y el rango de los 30 m. Debido a la refracción del rayo en la atmósfera, la trayectoria del haz no es una línea recta, sino curva.

14 Mediciones de viento Ayudas a la navegación Algunos radiosondas llevar receptores de radio especiales que detectan las señales de navegación y las transmiten a una estación terrestre donde un ordenador calcula la posición del globo. Este esquema requiere una sonda más cara, pero una estación de tierra mucho menos costosa debido a que ni un radar ni un buscador de dirección de radio es necesario. Este sistema es ideal para estaciones terrestres móviles, especialmente las que se montan en barcos o vehículos terrestres. Las ayudas disponibles para la navegación son LORAN C, Omega, y GPS.

15 Mediciones de viento Ayudas a la navegación LORAN C Es un operativo de ayuda a la navegación de alta precisión, de alcance medio en la banda de baja frecuencia centrada en 200 khz. La trasmisión LORAN C consiste en grupos de alrededor de 8 pulsos de 100 khz, cada uno alrededor de 150µs de duración. Cada cadena de transmisores se compone de una estación maestra y dos esclavos o más. Cada esclavo transmite sus grupos de impulsos a intervalos fijos después de él maestro y a una tasa que es específico de una cadena dada. La señal recibida en un lugar determinado es una composición de la recibida como una onda de tierra y esa como ondas de cielo después de una o más reflexiones de la ionosfera. La naturaleza pulsátil de las trasmisiones permite la posibilidad de seleccionar la onda de tierra preferentemente mediante la detección de la fase o el momento de la llegada de la sección inicial del pulso.

16 Mediciones de viento Ayudas a la navegación OMEGA Es un sistema de navegación que opera a muy baja frecuencia pero a distancias muy grandes y con sólo seis estaciones emisoras situadas a 6500 millas de distancia unas de otras y dos de reserva, sincronizadas por un reloj atómico, se cubre todo el globo terráqueo. Cada estación transmite de forma secuencial de 0,9 a 1,2 s en las tres frecuencias asignadas de 10.2, 11.3, y 13.6 khz. Los transmisores OMEGA estimulan varios modos de propagación cuyas amplitudes y velocidades de fase varía con la altura de la ionosfera, la dirección de propagación, y el rango del transmisor.

17 Mediciones de viento Ayudas a la navegación GPS (Sistema de Posicionamiento Global) Sistema global de navegación por satélite Conjunto de 24 satélites en órbita a kilómetros sobre la tierra. Periodo orbital de 12 horas Plano orbital inclinado 55 con respecto al plano ecuatorial. Cada satélite tiene un reloj atómico y transmite una señal a intervalos precisos en dos frecuencias: y GHz El principio básico del GPS es la triangulación de los satélites sobre la base de un conocimiento preciso de las posiciones de los satélites en el espacio.

18 Mediciones de viento Ayudas a la navegación GPS (Sistema de Posicionamiento Global) GPS de navegación en 2D con relojes precisos

19 Radiosondas Llevan una carga útil, paquete de instrumentos de medición de variables atmosféricas (presión, temperatura, humedad), a una altura de unos 30Km o mas. Envían los datos a una estación en tierra a travez de un transmisor de radio. Bandas de frecuencia de radio disponibles : 27.5 to 28 MHz, 400 a 406 MHz, 1668 a 1700 MHz, y 35.2 a 36 GHz. Paquetes de instrumentos especiales han sido diseñados para medir radiación solar y terrestre, concentración de ozono, gradiente de potencial eléctrico, conductividad del aire, y radiactividad de la atmósfera. Los vientos horizontales se miden por el seguimiento del paquete de instrumentos.

20 Radiosondas

21 Error de exposición Los errores de exposición del radiosonda se ven acentuados por las variaciones extremas de temperatura, la presión y la densidad que los sensores deben ser capaces de soportar. Estos están expuestos a condiciones extremas de radiación solar, temperatura, gradientes de campo eléctrico, humectación, la formación de hielo por gotas de las nubes, etc. Para contrarrestar estos problemas, por lo general, la mejor manera es que todos los sensores sean lo más pequeño posible. Los radiosondas son atados a los globos por largas cuerdas para eliminar el paquete del sondeo del entorno del globo

22 Error de exposición Errores específicos del sensor Barómetro: tamaño pequeño significa gradientes de temperatura mas pequeños a través del sensor y una respuesta más rápida a los cambios de temperatura. Sensor de temperatura: tamaño pequeño para reducir el error de calentamiento radiativo y el error de retraso dinámico. Sensor de humedad: algunos fabricantes utilizan sensores capacitivos de absorción que están especialmente diseñados para eliminar la condensación de las nubes súperenfriadas. Tanto los sensores de temperatura como los de humedad relativa se encuentran en un brazo que se proyecta desde el alojamiento principal de la sonda, para aislar del calor a la sonda (por ejemplo, la batería) y proporcionar una mejor exposición a la atmósfera.

23 Gracias! Fin