Mediciones en altura - Unidad de Ciencias de la Atmósfera

Mediciones en altura
Licenciatura en Ciencias de la Atmósfera
Principios Básicos de Mediciones Atmosféricas
Diciembre 2011
Noelia Misevicius
Sumario
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Introducción
Métodos para realizar mediciones en altura
Globos
Medición del viento
Radiosondas
Error de exposición
Mediciones en altura
INTRODUCCIÓN
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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.
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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.
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.
Métodos para realizar mediciones en altura
• Sensores Remotos
Ejemplos:
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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.
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.
Globos
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Categorización: de acuerdo al color, tamaño y extensibilidad.
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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.
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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, ρB = densidad del gas
en el globo (hidrógeno o helio), kgm-3, g = aceleración de la gravedad, ms-2, la masa
total es mT = FT / g.
Globos
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La fuerza de sustentación libre es la fuerza de sustentación total menos la masa
del globo y la carga útil,
donde mB = masa del globo, en kg, y mp = masa de la carga, kg. Como antes, la
masa de sustentación libre es mL = MT - mB - mp.
Mediciones de viento
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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 mB= masa del globo, kg, V= velocidad del viento horizontal, ms-1,
VB =velocidad horizontal del globo, ms-1, CD=coeficiente de resistencia aerodinámica
del globo, ρ =densidad del aire, kgm-3, y A = área de sección transversal.
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, mB 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.
Mediciones de viento -
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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.
Mediciones de viento
Teodolito de radio
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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.
Mediciones de viento – Radar
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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.
Mediciones de viento
Ayudas a la navegación
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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.
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Las ayudas disponibles para la navegación son LORAN C, Omega, y GPS.
Mediciones de viento
Ayudas a la navegación
LORAN C
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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 150 µs 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.
Mediciones de viento
Ayudas a la navegación
OMEGA
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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.
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 20200 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: 1.226 y 1.575 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.
Mediciones de viento
Ayudas a la navegación
GPS (Sistema de Posicionamiento Global)
GPS de navegación en 2D con relojes precisos
Radiosondas
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Llevan una carga útil, paquete de instrumentos de medición de variables atmosféricas
(presión, temperatura, humedad), a una altura de unos 30Km o mas.
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Envían los datos a una estación en tierra a travez de un transmisor de radio.
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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.
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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.
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Los vientos horizontales se miden por el seguimiento del paquete de instrumentos.
Radiosondas
Error de exposición
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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.
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Los radiosondas son atados a los globos por largas cuerdas para eliminar el paquete del
sondeo del entorno del globo
Error de exposición
Errores específicos del sensor
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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.
Gracias!
Fin