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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.
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| 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 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