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Radiosondaggio e misura dell'umidità dell'aria

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(Traduzione di Achille De Santis )


Vedere anche: il diagramma "Skew-T" - il sensore di umidità "Snow-white" -

I fenomeni legati alla quantità d'acqua contenuta in un metro-cubo d'aria sono numerosi, importanti per la vita umana e complessi. Per non arrangiare, la misura precisa ed affidabile dell'umidità relativa è stata (ed è tuttora) un problema per i progettisti di radiosonde.

Definizioni e richiami

   La quantità d'acqua sotto forma di vapore in un metro-cubo d'aria varia da quasi zero a qualche grammo. A partire da una certa quantità c'è saturazione e l'acqua supplementare sarà sotto la forma liquida. Questo limite dipende dalla temperatura; un metrocubo d'aria a 20°C può contenere al massimo 17g di vapore d'acqua; a 10°C ne può contenere al massimo 9 grammi.
L'umidità assoluta è la massa di vapore d'acqua contenuto in un m3 d'aria. Per esempio 10g (ossia un centilitro) in un m3 d'aria a 20°C.
In rapporto al limite di 17g, che corrisponde alla saturazione dell'aria a 20°C; questi 10g rappresentano il 58%. Questo valore del 58% corrisponde all'umidità relativa, quella che ci interessa.
Raffreddandosi, il nostro m3 d'aria contenente 10g di vapore d'acqua raggiungerà la temperatura di 11 gradi alla quale corrisponde giustamente una quantità di vapore d'acqua massimo di 10g. L'aria è saturata, l'umidità relativa è passata dal 58% al 100%, l'ulteriore abbassamento di temperatura provocherà l'inizio della condensazione e la formazione di rugiada sugli oggetti o vegetali la cui superficie è a temperatura ambiente.
Questa temperatura di 11 gradi è quella del punto di rugiada. Ad ogni valore dell'umidità assoluta e di un m3 d'aria satura (quindi al 100% di umidità relativa) si può associare un valore di temperatura chiamato temperatura di rugiada, sinonimo del termine "punto di rugiada". Per 17g di vapor d'acqua per m3 d'aria, la temperatura di rugiada è di 20°C.
La figura a lato rappresenta un diagramma semplificato dell'aria umida che permette di determinare una delle tre grandezze: umidità relativa, umidità assoluta o temperatura quando sono note le altre due.
Esempio: a 30 gradi e a 80% di umidità relativa, la massa di vapore d'acqua per m3 è di 25 grammi.


L'umidità in altitudine

Lo stato del cielo e la formazione di precipitazioni dipendono allo stesso tempo dalla temperatura e dal punto di rugiada per ogni livello di quota. Conoscendo la temperatura dell'aria e quella del punto di rugiada in funzione dell'altezza si può, ad occhi chiusi, dedurne la nebulosità, l'altitudine e il tipo di nuvole, lo spessore dello strato o degli strati nuvolosi, stimare i rischi e la natura delle precipitazioni. L'esame di un emagramma previsionale del tipo Skew-T permette a un amatore attento di farsi un'idea del tempo che farà nei due o tre giorni seguenti per un posto dato.
Sul diagramma a lato la curva del punto di rugiada (in verde) e quella della temperatura dell'aria (in rosso) si sovrappongono tra 400hPa (7000m) e 200hPa (11000m). Il 31 dicembre 2014 alla sera si poteva quindi prevedere un cielo coperto da nuvole di alta quota sopra Parigi per il primo gennaio 2015 alle 13h.
Ma per stabilire questi emagrammi il GFS (Global Forecast System) si è servito dei dati raccolti nel mondo intero, come risultato delle centinaia di radiosondaggi effettuati quotidianamente su tutta la superficie del globo. Tra questi dati misurati dalle radiosonde, largamente al di sopra del limite superiore della troposfera, figurano la temperatura e l'umidità dell'aria.


I sensori di umidità sulle radiosonde - requisiti di qualità

La misura dell'umidità è quella che, nel tempo, ha posto la maggior parte dei problemi per gli ideatori dei sensori e ad oggi è ancora il dato meno preciso malgrado gli enormi progressi realizzati. Il fatto è che il sensore ideale deve rispondere a vari criteri:
- grande sensibilità per tradurre le più piccole variazioni igrometriche;
- larga gamma di misura (da 0 a 100% di umidità relativa);
- funzionamento indipendente dalla temperatura (che varia correntemente da +30 a -70°C);
- stabilità nel tempo per permettere uno stockaggio prolungato degli elementi dei sensori;
- affidabilità, per indicare sempre lo stesso valore in condizioni identiche;
- bassissima inerzia per tradurre variazioni rapide di igrometria durante la salita e forte resistenza alla condensazione nell'attraversamento delle nuvole;
- basso costo poiché la radiosonda è per la maggior parte delle volte non riutilizzabile;
- bassissima massa.

Certo, questo sensore perfetto non esiste...


Storico

La maggior parte dei principi messi in opera per la misura dell'umidità erano noti prima della fabbricazione della prima radiosonda nel 1929. Ognuno aveva i suoi vantaggi e i suoi inconvenienti, ciò che spiega che si incontra ciascuno di questi principi fino alla fine degli anni 1980, quando il sensore capacitivo li ha detronizzati tutti.
- Il capello, che ha la proprietà di allungarsi quando è umido, è stato largamente utilizzato dall'inizio fin verso il 1980.
- Il budello, (pellicola fabbricata a partire dall'intestino di bue o di montone). In concorrenza con il capello.
- L'igristore, componente elettrico la cui resistenza varia in funzione dell'umidità. Lo si incontra sempre più a partire dagli anni 1940.
- Lo psicrometro è costituito da due sensori di temperatura l'uno dei quali è contornato da un tessuto molle. Poco utilizzato.
- Il principio dello specchio raffreddato non è stato utilizzato che per sensori molto precisi; costosi e pesanti, installati in apparecchi di riferimento.
- Il sensore capacitivo ha cominciato la sua carriera negli anni 1980 ed è a tutt'oggi universalmente sparso poiché possiede la maggior parte dei requisiti enumerati nel precedente paragrafo.


Capelli

Inventato nel 18° secolo da Horace Bénédict de Saussure (1740-1799) l'igrometro a capello sfrutta le variazioni di lunghezza di un capello in funzione dell'umidità dell'aria.
Per i sensori utilizzati nelle radiosonde, il capello viene sgrassato e laminato per migliorarne la sensibilità e ridurne l'inerzia o isteresi.
 La RS-11 di Vaisala utilizzava un insieme di 10 capelli messi in parallelo per aumentare la loro resistenza meccanica. L'allungamento della treccia faceva spostare un'armatura di un condensatore determinando la frequenza di trasmissione.    Nella Graw M60, il capello del sensore di umidità agisce su un leveraggio che amplifica fortemente il suo allungamento. L'estremità sul leveraggio porta una punta che, scorrendo su un tamburo parzialmente isolato, chiude un contatto elettrico che manipola l'emettitore.


Budello

Il budello naturale è un'appendice del sistema digestivo dei ruminanti, ubicato tra l'intestino tenue e l'intestino crasso.
Lo si impiega tradizionalmente in salumeria per avvolgere il salame o la mortadella.
Alcuni fogli di budello venivano utilizzati talvolta per la fabbricazione di sottilissimi fogli d'oro destinati alla doratura. Essi si intercalavano tra ogni foglia d'oro a formare il multistrato che veniva presentato sotto la pressa per l'ultima fase di concia. Per questa ragione il termine inglese "goldbeater's skin" o "Goldschlägerhaut" in tedesco (da non tradurre in pelle di batterista d'oro!) viene utilizzato in letteratura nel campo della misurazione dell'umidità, in queste due lingue.
Come il capello (e molti altri materiali di origine animale o vegetale), il budello si allunga e si ritrae in funzione dell'umidità dell'aria.
I sensori di umidità che utilizzano il budello avevano (almeno) due inconvenienti: una forte inerzia igroscopica, poiché restavano a lungo umidi dopo l'attraversamento di una nuvola, per esempio, ed un mediocre funzionamento alle basse temperature.
 Il sensore di umidità della Kew Mk3 che utilizza ancora agli inizi degli anni 1990 un nastro di budello (indicato dalla freccia) come il suo antenato, la Mk2, concepita durante la seconda guerra.    La radiosonde suisse è rimasta fedele al budello fino al 1990. Qui è un disco teso come una pelle di tamburo il cui centro, flettendo, agisce su un leveraggio.


Igristore

L'igristore è un componente elettrico la cui resistenza dipende dall'umidità.
Numerosi sono i materiali la cui resistività dipende dall'umidità: nelle prime radiosonde utilizzanti questo principio, il cloruro di litio è stato provato a partire dal 1938.
Nelle sonde statunitensi Diamond, Hinman e Dunmore della fine degli anni '30, l'igristore è utilizzato per far variare la frequenza dell'oscillatore di modulazione del trasmettitore.
 L'igristore di questa Raysonde fabbricata da Bendix-Fiez nel 1945 è sistemato nel camino nel quale è alloggiata anche il termistore del sensore di temperatura. Le variazioni di resistenza dell'igristore variavano la frequenza di modulazione del segnale emesso.    La SRS-400-PTU ha utilizzato un igristore al carbone di marca Viz/Sippican dal 1990 al 2009 prima di essere sostituito da un sensore capacitivo Rotronic di fabbricazione svizzera. L'elemento sensibile è ben protetto dalla pioggia restando correttamente ventilato.


Sensore capacitivo

In questo tipo di sensore, non è più il valore di una resistenza variabile ma la capacità di un condensatore ad essere utilizzata per tradurre in segnali elettrici una variazione di umidità. Questo condensatore è costituito da due armature, una piena, che serve da substrato, e una porosa quindi permeabile al vapor d'acqua contenuto nell'aria; tra di essi viene interposto un dielettrico formato da una pellicola di polimero (poliimmide, per esempio) la cui permittività varia in funzione dell'umidità relativa.
 Il sensore capacitivo (freccia verde) della LMS-6 de Lockheed-Martin è ben protetto dalla pioggia e dalla radiazione solare con uno schermo. Un sensore (freccia blu) misura la temperatura dell'aria in prossimità del sensore di umidità per permettere di correggere i dati grezzi.    La RS92 con i suoi due sensori capacitivi di umidità fornisce eccellenti risultati su una larga gamma di misure tanto che ne fanno una sonda di riferimento per la misura di umidità. Quando uno dei sensori effettua le misure, il secondo viene asciugato per riscaldamento.


Psicrometro

E' noto che l'evaporazione dell'acqua sulla superficie di un corpo provoca un abbassamento della temperatura di quest'ultimo. La differenza di temperatura tra l'aria ambiente e la superficie del corpo bagnato è tanto più grande quanto più l'aria è secca. Con l'aiuto di una semplice tabella è facile determinare la percentuale di umidità relativa in funzione della temperatura dell'aria e della differenza di temperatura misurata.
Lo psicrometro è composto da due termometri il primo dei quali ha il suo bulbo avvolto da un tessuto bagnato. Una buona ventilazione provoca l'evaporazione dell'acqua che si traduce in un calo della temperatura che si stabilizza nel giro di un certo tempo. Aumentare la durata o la forza della ventilazione non cambia la temperatura del termometro umido quando si è raggiunto l'equilibrio termodinamico. In un'aria satura di umidità (100% di umidità) le due misure sono identiche.
 Questa radiosonda indiana degli anni 1950 prevede due lame bimetalliche identiche per misurare la temperatura ma l'uno dei due è contornato da un tessuto che sarà bagnato prima del rilascio. La differenza di temperatura misurata permette di determinare l'umidità relativa nella parte bassa della troposfera   Sul modello AS-1A-PTH di A.I.R., sono due termistori identici che servono a misurare la temperatura. L'una di esse è contornata da un manicotto umidificato dall'acqua iniettata nella fialetta prima del volo.


Lo specchio raffreddato

Quando un oggetto freddo viene immerso nell'aria calda e umida, il vapor d'acqua contenuto nell'aria si condensa. Se si tratta di uno specchio, la condensa appare molto nettamente; se si tratta dell'erba di un prato all'alba in estate. si parlerà di rugiada. La temperatura alla quale inizia la formazione di rugiada si chiama punto di rugiada. Questo dipende unicamente dalla quantità di vapor d'acqua contenuto nell'unità di volume (umidità assoluta). Al punto di rugiada, l'umidità relativa è del 100% (v. definizioni e richiami ad inizio pagina).

 La foto a lato rappresenta una Meteolabor SRS-400 (la scatola in polistirene più lunga e sistemata sotto) sulla quale viene installato un sensore di umidità di un tipo molto speciale fabbricato da questa stessa società svizzere. Il suo volume, la sua massa e il suo costo spiegano la ragione per la quale esso non viene utilizzato che per misure straordinarie poiché le misure di umidità che fornisce sono eccezionalmente precise. Esso misura direttamente il punto di rugiada.
Il suo principio è quello dello specchio raffreddato (chilled mirror in inglese, che si può tradurre in "specchio refrigerato") dettagliatamente descritto in questa pagina:
Misura di umidità con il sensore Snow-white di Meteolabor.




Fonti e documenti

- Humidity Sensors: A Review of Materials and Mechanisms by Zhi Chen and Chi Lu - ASP - 2005
- Transition from VIZ/Sippican to ROTRONIC by R. Philipona... - Arbeitsberichte der MeteoSchweiz - 2009
- Le métier de batteur d'or (fiche)
- An electric hygrometer and its application to radio meteography by Francis W. Dunmore - NBS - 1938