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 Agli albori del radiosondaggio 1920-1945
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traduzione di Aki IZ0MVN

Vedere anche: Dalla mongolfiera alla radiosonda moderna -

Negli anni '20, le misure P,T e U in quota nell'atmosfera erano così ripartite:
- bassa quota: cervi volanti, correntemente fino a 1000m, talvolta fino a 5000m;
- media quota: aeroplani, correntemente fino a 5000m, raramente al di sopra. Costo elevato, dati disponibili al ritorno dell'aereo.
- alta quota: palloni-sonda: correntemente fino a 15000m ossia 35000m ; necessità di recuperare il dispositivo per conoscere i risultati.
A questo bisogna aggiungere i palloni pilota la cui traiettoria, osservata al teodolite, permette di determinare la velocità e la direzione del vento fino al cielo visivo.

L'inizio

Lo studio dei fenomeni meteorologici particolari (passaggio di un fronte, per esempio) richiede di conoscere lo stato dell'atmosfera in quota, almeno fino alla tropopausa (9000-15000m). D'altra parte, conoscere questo stato vari giorni oppure varie settimane dopo lo svolgimento di un fenomeno non è molto utile. La trasmissione, attraverso le onde radio, delle misure effettuate con un pallone-sonda sarebbe l'ideale per ottenere dati in tempo reale. L'idea non è originale; tutti i meteorologi degli anni '20 ci hanno pensato ma la tecnologia deve ancora fare dei progressi.

I problemi della trasmissione per radio tra il 1918 e il 1930

All'indomani della Prima Guerra Mondiale, le trasmissioni in TSF (Telegrafia Senza Fili, n.d.t.) tra un'aeronave e il suolo necessitano di un emettitore e di un generatore, che risultano ancora pesanti e ingombranti. Le valvole sono correntemente utilizzate negli apparati al suolo ma esse sono ancora fragili e richiedono delle batterie pesanti e poco pratiche. Un emettitore semplice, installato su un aereo, è per esempio quello a scintilla, utilizzante, come alimentazione, un alternatore la cui rotazione è assicurata da un'elica, come quello della figura a lato.
G : generatore alternatore;
E : spinterometro rotante ;
K : manipolatore ;
A : antenna, svolta per mezzo di un rocchetto;
M : massa dell'aereo, che serve da contrappeso all'antenna.
Una postazione a valvole, utilizzata nel 1922 sugli aerei più importanti, era la E10, che emetteva tra 400 e 550 kHz su un'antenna filare svolta manualmente dopo il decollo. La sezione di trasmissione usa tre tubi in parallelo con tensione di placca di 320V. Certo, è possibile farla più semplice.


Trasmissione da un pallone

Tra il 1914 e il 1918, i palloni vincolati sono largamente utilizzati per l'osservazione dei movimenti del nemico e per l'allineamento delle unità di artiglieria. La trasmissione delle informazioni al suolo si fa con dispacci scritti in caduta, con segnali ottici o con linea telefonica. L'installazione di un trasmettitore in un pallone vincolato non ha quindi interesse. Per contro, l'emissione da un pallone dirigibile è utilizzata già prima del 1914 con gli Zeppelin. Vengono prese tutte le precauzioni per evitare incendi a bordo: l'emettitore a scintilla è racchiuso in un armadio stagno (foto a lato).
I principi alla base della concezione di un emettitore che può essere trasportato con un pallone-sonda per ritrasmettere i dati misurati sono numerosi:
- il peso massimo: qualche chilogrammo. Elemento limitante: l'alimentatore del trasmettitore.
- le dimensioni dell'antenna: la più piccola possibile; qualche metro, dunque una frequenza di trasmissione la più alta possibile. Elemento limitante: le caratteristiche dei tubi correntemente utilizzati negli anni '20, inizio dell'uso delle onde corte.
- la portata dell'emettitore: la radiosonda deve poter essere captata con i ricevitori dell'epoca fino a più di un centinaio di km. Grande interrogativo: le condizioni di propagazione delle onde corte a partire dagli alti strati dell'atmosfera.
- l'affidabilità del trasmettitore: la trasmissione dei dati deve essere sicura, il funzionamento del trasmettitore non deve essere delicato, instabile o aleatorio. Elemento limitante: le valvole sono fragili e la loro durata di vita è limitata, le batterie devono resistere a temperature che scendono fino a -70°C.
- la possibilità di modulare o manipolare il trasmettitore in modo da trasmettere i valori di almeno tre grandezze fisiche. Problema da superare: i trasmettitori a tubi, benché utilizzati dal 1917 dovevano ancora essere adattati all'uso previsto. Il sistema di codifica deve essere poco costoso, affidabile e leggero.
L'interesse nell'uso delle onde corte era quindi evidente; essendo, questa banda, larga e poco frequentata, le interferenze erano meno probabili. Dal lato della tecnologia, sappiamo che un circuito oscillante su 5MHz richiede un circuito di accordo molto più ridotta di quello utilizzato su 500kHz. Gli emettitori e le antenne potevano essere di peso e dimensioni ridotti.
Lo scopo principale dei meteorologi nell'imbarcare un emettitore nel cestello di un pallone è stato lo studio dei venti in quota seguendo gli spostamenti del pallone per radiogoniometria. Ricerche in tal senso erano state condotte a Lindenberg in Germania e negli USA. Così anche William Blair, uno statunitense, ha realizzato nel 1924 un trasmettitore di tipo ECO con un triodo la cui tensione di placca era ottenuta con un vibratore elevatore di tensione alimentato con la batteria di riscaldamento del filamento. Egli constatò gli effetti delle variazioni di temperatura sulla frequenza di emissione ma non andò oltre.

Nella primavera del 1927 il fisico Pierre Idrac e il meteorologo Robert Bureau installavano un trasmettitore a tubo elettronico in un pallone-sonda, il loro scopo era allora di valutare la possibilità di utilizzare le onde corte per la trasmissione dei dati meteo provenienti da un pallone. Il loro prototipo trasmetteva su 7MHz e pesava 2,7kg. L'antenna misurava 10,5m di lunghezza ed era agganciata sotto il pallone. La portante veniva interrotta per mezzo di un ruttore accoppiato a una ventola animata dal vento proporzionale alla velocità verticale del pallone. Il 3 marzo 1927 superavano i 13000m di quota e il segnale veniva ricevuto fino a 500km di distanza; era la prima trasmissione radio dalla stratosfera!
Sulla foto a lato, pubblicata nel 1931 sulla rivista "La météorologie", si può vedere a destra la batteria che alimenta la placca del triodo e, a sinistra, quella di riscaldamento del filamento. Il triodo è al centro, tra la self (bobina a nido d'ape, a destra) e la ventola (volantino) di cui si distinguono i raggi.




Le due prime radiosonde della storia

Mentre William Blair eseguiva negli USA le sue prove di misura del vento con un trasmettitore trascinato da un pallone seguito con radioteodolite, Robert Bureau continuava da solo la messa a punto della prima radiosonda della storia, poiché Pierre Idrac era stato chiamato ad altre funzioni. Il 7 gennaio 1929 egli rilasciava un pallone con a bordo un trasmettitore la cui portante era interrotta, in PWM, da segnali periodici composti di 0 e 1. Il rapporto ciclico di questi segnali (duty-cycle, n.d.t.), cioè la durata rispettiva di un 1 rispetto alla durata del periodo, dipende dalla temperatura dell'aria misurata da un termometro a "bimetallo" (rif. T sulle foto).
Il principio del sistema di codifica è molto semplice :
- Il termometro a bimetallo agisce su un braccio all'estremità del quale si trova un cursore che striscia sulla superficie di un cilindro (rif. C sulle foto).
- Il cilindro ha la sua superficie in parte metallica (rif. m) e in parte isolante (rif. i).
- La metallizzazione, essendo a forma di elica, ben visibile sulle due foto, creerà un contatto elettrico, tra il cursore e il cilindro, che sarà più o meno lungo, in funzione della posizione del cursore e della velocità di rotazione del cilindro.
- La rotazione del cilindro è comandata da quella della ventola (rif. M) dovuta al vento relativo provocato dalla velocità di salita della sonda. Il periodo del segnale è quindi proporzionale alla velocità di salita.

  
 La prima radiosonda della storia della meteorologia o "thermoradio" rilasciata il 7 gennaio 1929 da Robert Bureau.    "barothermoradio" di Robert Bureau, per misure di pressione e temperatura. Rilasciata in primavera 1929.


La foto, in alto a destra, rappresenta la radiosonda della primavera del 1929. Sebbene ancora sperimentale, ha un aspetto più rifinito. Si distingue molto bene, sullo stesso asse della ventola, il tamburo di codifica (rif. C); è un cilindro la cui superficie è per metà isolante e per metà conduttrice. Il sensore di pressione (rif. P) è un tubo di Bourdon, la cui forma dipende dalla pressione. Il sensore a bimetallo è a sinistra (rif. T).
Nei modelli seguenti, la ventola fu sostituita con un meccanismo ad orologeria, meno rustico ma più preciso. L'energia necessaria al suo funzionamento era dapprima quella del peso dell'apparato, come in un orologio a pendolo, poi quella di una molla, come in una sveglia meccanica.

Gli anni 1930

L'esempio di Robert Bureau fu molto presto seguito, in gennaio 1930 dal Sovietico Pavel Molchanov e in maggio dal Tedesco Paul Duckert e poi, nel dicembre 1931, dal Finlandese Vilho Väisälä, il fondatore del più importante costruttore attuale di radiosonde.
La radiosonda russa aveva la particolarità di codificare in Morse le informazioni da trasmettere con l'aiuto di un sofisticato sistema di commutatori. Essa poteva dunque essere decodificata da qualunque operatore, senza l'uso di materiale speciale dal lato ricezione. Per contro, la radiosonda perdeva in semplicità. L'antenna era un dipolo a mezz'onda nel cui centro si trovava la sonda: un braccio era collegato al pallone e l'altro pendeva sotto il dispositivo. Il primo volo avvenne il 30 gennaio 1930 dall'Osservatorio di Pavlovsk (che si chiamava allora Slutsk) presso S. Pietroburgo. Vennero effettuate misure di pressione e di temperatura fino a 10000m di quota.
Il sistema di codifica della temperatura nella prima radiosonda di Paul Duckert era diverso dai primi due poiché utilizzava la variazione di capacità del condensatore del circuito oscillante per far variare la frequenza di emissione. Il sensore termometrico era anch'esso un " bimetallo " e quello di pressione un tubo di Bourdon. La prima radiosonda germanica fu rilasciata da Lindenberg il 22 maggio 1930 e superò la quota di 15000m.

La ventola che serviva da motore al sistema di codifica è stata sostituita talvolta con un meccanismo ad orologeria che bisognava caricare come una sveglia, prima del lancio. Sembra che il suo peso e il suo prezzo siano stati di ostacolo alla sua diffusione poiché molte radiosonde del dopo-guerra montavano ancora la ventola.

Dal momento che la stabilità del segnale e la calibrazione dei ricevitori non erano perfette, all'epoca (inizio degli anni 1930), il rischio di confondere i segnali di due radiosonde, simultaneamente in aria, o di prendere un segnale strano per quello della radiosonda era grande, Robert Bureau aggiunse un dispositivo di codifica attraverso la manipolazione della frequenza del trasmettitore. Una ruota dentata a dieci denti (di cui il 10° mancante) girava tra le lame del condensatore del circuito oscillante, provocando una deviazione di frequenza che poteva essere decodificata facilmente in CW sotto forma di serie di 9 impulsi separati da uno spazio.
Una graziosa foto di una RS francese del 1932-1933 è visibile sul sito di Météo-France. Si distingue molto bene il meccanismo ad orologeria nella parte superiore con la ruota dentata che passa tra le due armature del condensatore (in alto a destra). Il trasmettitore (non visibile in foto), fissato al di sopra della parte meccanica, era dotato di un solo tubo (un triodo in configurazione Hartley) sistemato all'interno della bobina. L'insieme era compatto e di dimensioni contenute.

Le frequenze utilizzate negli anni '30 per il radiosondaggio sono di due tipi:
- dell'ordine di 2 MHz per le misure di vento in quota per radiogoniometria, essendo la misura degli angoli con l'aiuto di antenne a quadro, molto precisa quando si cerca il minimo del segnale.
- nell'intorno di 27-30 MHz per i sondaggi PTU, antenne di dimensioni ridotte, banda di frequenza molto larga che permette di acquisire numerose radiosonde limitando le interferenze.
La banda dei 27MHz è stata per lungo tempo riservata per applicazioni più o meno scientifiche ed era ancora utilizzata da alcune RS fin negli anni 1970-80.

L'utilizzazione delle radiosonde aveva, allo stesso modo, un interesse capitale nello studio dell'atmosfera al di sopra di regioni desertiche, foreste immense ed oceani, come sottolineato da Robert Bureau in una pubblicazione del 1937, là dove le possibilità di ritrovare un pallone-sonda e i suoi registratori grafici erano quasi nulle.
La tecnologia utilizzata per la trasmissione automatica di informazioni attraverso la radio permette, tra l'altro, la messa in opera di stazioni meteo automatiche installate in siti dall'accesso difficile (cime montuose, per esempio).

Nel 1936 in USA viene organizzata una rete che permette di praticare delle misure coerenti e coordinate su una vasta scala, al fine di studiare i movimenti delle masse d'aria nelle tre dimensioni.

Bibliografia

Cours technique du centre d'instruction des élèves officiers radiotélégraphistes 3ème partie - 1922
The invention and development of the radiosonde par Dubois, Multhauf et Ziegler - Smithsonian Institution
De la TSF à l'électronique par Albert Vasseur - ETSF 1975
In Bannkreis von Nauen, von Artur Füerst - Deutsche Verlags-Anstalt Stuttgart und Berlin - 1923

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