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(traduzione di Aki IZ0MVN)
Vedere anche: Caratteristiche
dell'atmosfera - Conversione
di unità di velocità - Gli
involucri dei palloni-sonda - Il
pallone che non scoppia - I
riflettori RADAR per palloni-sonda - I
sistemi di localizzazione utilizzati nel radiosondaggio
- Il "pallone-paracadute" -
la sonda-pilota - La
rawinsonde ou radiovent (F) -
La conoscenza della forza e della direzione dei venti
in quota riguarda i soli meteorologi. Dall'inizio dell'aerostazione,
cioè a partire dal 1783, gli uomini hanno trovato le ragioni
di cercare di sapere quello che succedeva dal lato delle nuvole.
Prima di decollare, un pilota di d'aeroplano vorrà sapere
in quale direzione si spostano le masse d'aria dove evolverà,
per preparare il suo piano di volo o per decidere di lasciare
il suo apparecchio nell'hangar. L'aviazione nascente, negli anni
1910, soprattutto quando essa è divenuta militare, è
stata una grande consumatrice di questo genere di informazioni,
richiedendo non solamente i dati generali riguardanti le regioni
intere ma anche le condizioni locali dei venti particolari di
una valle o di un massiccio montagnoso.
Il pallone perso (o a perdere)
Un pallone libero, sferico, cioè senza un motore
che gli permetta di spostarsi orizzontalmente né di forma
tale che la sua velocità verticale ne induca una nel piano
orizzontale (come farebbe un'ala di aliante), si sposta con la
massa d'aria nella quale esso si trova; che salga (caso generale
dei palloni-sonda) o che scenda (caso dei palloni che si sgonfiano
e la cui forza ascensionale è divenuta più debole
del loro proprio peso e dei palloni-paracadute).
Rilasciando, e poi seguendo a vista un pallone di questo genere,
i primi aeronauti alla fine del 18° secolo verificavano che
i cieli fossero loro favorevoli; lo si chiamava allora "pallone
perso", poiché si avevano poche possibilità
di rivederlo un giorno. Così anche il 1° dicembre 1783,
Jacques CHARLES, il fisico inventore del pallone a gas, affidò
ad Etienne Montgolfier, suo rivale, il compito di rilasciare il
piccolo pallone a perdere, di 2m di diametro, dicendogli: "E'
a lei, signore, che spetta di aprirci la strada dei cieli".
Questo pallone, che mostra il cammino da seguire all'aviatore
sul punto di prendere il volo, era - ed è ancora - detto
"pallone-pilota".
Storico
Wilfrid de FONVIELLE, nella sua opera dedicata ai
lavori di Gustave HERMITE e Georges BESANCON (vedere paragrafo
Fonti e documenti, qui sotto), nel 1898 scriveva:
"...è attraverso dei palloncini, abbandonati a
se stessi, che debuttò l'aerostazione, tanto ad Annonay
quanto a Paris che a Versailles. Il pallone a perdere, lanciato
da Champ de Mars a Paris nel 1783, fu osservato dai più
celebri astronomi del tempo i quali si erano appostati sui principali
monumenti di Parigi con dei sestanti/teodoliti per procedere,
attraverso rilevamenti simultanei, alla determinazione geometrica
della sua traiettoria."
Ma gli scienziati si sono stancati
presto di studiare il solo regime dei venti in quota e si sono
rivolti verso i palloni abitati che trasportano le persone e gli
strumenti per l'analisi dei parametri dell'atmosfera: pressione,
temperatura, magnetismo..., gli strumenti registratori di misura
non erano ancora a tal punto da poter essere trasportati in quello
che verrà chiamato, alla fine del 19° secolo, un pallone-sonda.
Peraltro, lo studio scientifico dei venti con l'aiuto
dei palloni-pilota è rimasto in letargo per alcuni decenni
come osserva nel 1898 l'autore citato:
"... La maggior parte dei palloni persi di cui ci si è
serviti fino agli ultimi tempi venivano lanciati dagli aeronauti
da fiera prima dei palloni che avrebbero montato; il loro scopo
era di rendersi conto delle condizioni degli strati atmosferici
che essi avrebbero attraversato e di determinare, di seguito,
la forza ascensionale di cui avevano bisogno per non rimanere
agganciati ai tetti. Qualcuno di questi palloni era riempito di
un miscuglio detonante e scoppiava dopo un tempo più o
meno lungo, in relazione con la lunghezza della miccia di cui
erano provvisti. Eugène Godard abbelliva anche qualcuna
delle sue esperienze pubbliche e gestiva i palloni esplosivi con
grande maestria. Il rumore che si produceva era unicamente destinato
ad attirare i curiosi nella cerchia pagante, il cui contorno veniva
accuratamente circondato di teloni molto alti..."
Nel 1906 Alfred de Quervain (1979-1827), meteorologo
svizzero, intraprende una campagna di studio dei venti in quota
con l'aiuto di palloni-pilota la cui traiettoria era seguita con
l'aiuto di un teodolite speciale che egli stesso aveva concepito
e fatto realizzare dalla società di ottica e di meccanica
di precisione di Joseph e Albert BOSCH di Strasbourg. Pertanto,
gli spostamenti del pallone-pilota possono essere misurati e se
ne può dedurre la direzione e la forza del vento in quota.
Nel corso della Prima Guerra Mondiale sono stati utilizzati
palloni-pilota destinati alla gestione delle tavolette di tiro.
Il filosofo ALAIN, artigliere durante la "Grande guerra",
ne parla nei suoi "Ricordi di guerra" :
"...Da qualche tempo il vento ci ha portato dalle linee
nemiche, già in Flirey, palloni rossi e blu un po' più
grandi di quelli con cui giocano i ragazzi. Nessuno mi sapeva
dire a che cosa servissero questi palloncini. All'interno abbiamo
cominciato a saperne di più; abbiamo imparato a misurare
il vento alle diverse altitudini osservando un pallone attraverso
un teodolite; si gestivano le tabelle che consentivano una rapida
interpretazione e, allo stesso tempo, altre tabelle di correzione
per il fuoco di artiglieria ..."
Tra le due guerre, venivano effettuati dei sondaggi
di vento due volte al giorno nelle stazioni come quella dell'aerodromo
di Lyon-Bron, per esempio. I palloni-pilota utilizzati sono dei
30 g, seguiti al teodolite (Morin e Le Prieur) di 100 m in 100
m fino a 2000 m, poi di 200 in 200 m tra 2000 e 5000 m. Se ne
deduce non solo delle statistiche ma anche informazioni immediatamente
utilizzabili dagli aviatori.
La foto a lato (origine NOAA) mostra due tecnici di
cui l'uno si appresta a leggere gli angoli ed a prenderne nota
ogni minuto intero, il secondo, occupato a rilasciare il pallone-pilota,
si applicherà a seguirlo attraverso le lenti del teodolite.
Pallone-pilota
Il pallone-pilota (pilot-balloon
o abbreviato Pibal in inglese) è semplicemente costituito
da una pellicola di lattice colorato e gonfiato con un gas meno
denso dell'aria (idrogeno o elio). Sia che esso serva a misurare
l'altezza, relativa al suolo, della base della copertura nuvolosa
(altrimenti detto "plafond") o a misurare la
velocità e la direzione del vento ad ogni livello di quota,
è necessario conoscere la sua velocità di salita
nel modo più preciso possibile. La foto a lato mostra un
pallone-pilota costruito da Panwan (India) di 45g nel suo imballaggio
ermetico.
La velocità di salita di un pallone
in latex viene ritenuta costante, compensando l'aumento del suo
volume durante la salita con l'aumentata resistenza dell'aria
sulla superficie della sua calotta sferica. Per un pallone-pilota
essa dipende:
- dal peso P della pellicola e del pezzetto di cordicella
che lo annoda.
- dalla forza ascensionale F sviluppata dal pallone gonfio
di gas.
Prima del rilascio è facile misurare questi due parametri
con l'aiuto di un peso: la massa prima del gonfiaggio e la forza
ascensionale dopo questo.
P ed F sono espressi in grammi.
La formula seguente (detta di J. ROUCH) permette di valutare
con buona approssimazione la velocità di salita per palloni
da 10 a 150 g:
dove F e P sono espressi in grammi e V in
m/min.
In un foglio elettronico come Excel questa formula si traduce
con: =42*F/Potenza(F+P;2/3) dove F e P sono gli indirizzi delle
celle contenenti questi parametri.
Esempio: Un pallone pilota di 45 grammi, come quello in
foto, qui sotto, sviluppa una forza ascensionale di 105 g, la
sua velocità di salita calcolata sarà di 156 m/min.
In realtà, questa velocità media calcolata
è un po' approssimativa e, attraversando i diversi strati
della troposfera, il pallone sarà sottoposto a delle turbolenze
che possono incidere nettamente sulla sua velocità istantanea.
Nota: la velocità di salita può essere calcolata
ugualmente con la formula di DINES o quella del Signal Corps dell'US
Army. I fabbricanti di palloni pilota forniscono ugualmente le
informazioni che permettono di stimarla.
Nel 1933, l'Office
National de Météorologie francese usava due tipi
di palloni-pilota:
- 18 grammi, rosso; la sua velocità di salita era di 100
m/min, il suo diametro dopo gonfiaggio è di 35 cm ed il
suo volume molto particolare è di 22,4 litri. Esso serve
semplicemente a determinare la piattaforma nuvolosa fino a 2000m
e non è normalmente seguito al teodolite, un cronometro
basta e l'operatore non ha che da effettuare una facile moltiplicazione
con un calcolo a mente.
- 150 grammi, di colore rosso o blu per i sondaggi con tempo coperto,
bianco quando il cielo è blu. Velocità di salita
200 m/min, diametro al rilascio di 75 cm e volume di 221 litri.
Quindi, con un cronometro viene misurata un'altezza, moltiplicando la velocità di salita per il tempo trascorso (H=V*t, ndt).
Esempio: Se un pallone pilota sparisce nello strato nel
giro di 100 secondi allorché sale a 180 m/min, allora la
piattaforma si trova a 300 m dal suolo.
La scelta della velocità di salita (all'incirca
di 180-200 m/min) è un compromesso tra il rischio di vedere
il pallone trasportato dai venti fuori dalla portata visiva se
essa è troppo scarsa, e una risoluzione verticale insufficiente.
Facendo una misura ogni minuto per una velocità di salita
di 200 m/min, la risoluzione sarà di 200 m, sicuro, e il
numero di misure tra il suolo e 5000 m sarà di 25.
Uso del teodolite
Il teodolite è
un apparecchio ottico che permette di determinare la direzione
di un oggetto tanto nel piano verticale (angolo di sito) che nel
piano orizzontale (azimut), in rapporto al nord. In riferimento
alla lente di livellamento dei geometri, l'apparecchio utilizzato
dai meteorologi permette una vista al-di-sopra di 45°, fino
allo zenit.
La figura a lato rappresenta
un pallone B di cui si vuole determinare gli spostamenti
a partire dal punto T misurando:
- l'angolo di sito (o angolo di elevazione) q
- l'azimut a riferito al nord N
(nord geografico).
Lo scopo è di tracciare, minuto per minuto, la posizione
del punto P, cioè la proiezione di B sul
piano orizzontale.
Ora, la distanza TP non può essere calcolata con
il solo angolo di sito, il triangolo rettangolo TBP potendo
essere definito se si conosce la lunghezza del suo cateto BP
che è di fatto l'altezza h del pallone relativa
al piano orizzontale dove si trova il teodolite T. Questa
altezza sarà calcolata misurando il tempo con la massima
precisione e dopo aver calcolato la velocità media di salita
del pallone con il metodo di ROUCH, per esempio. Inoltre, il pallone
preso ad esempio precedentemente percorrerà 156 m tra due
misure spaziate di 60 secondi.
Dal momento che tutte le misure fatte con un solo teodolite sono
effettuate relativamente alla sua propria posizione, quella non
entra nel calcolo. L'operatore sarà accorto semplicemente
nell'orientare il suo apparecchio verso il nord geografico (con
un compasso e tenendo conto della declinazione magnetica) ed a
regolarne minuziosamente l'orizzontalità (messa in bolla,
n.d.t.).
L'incertezza sui valori calcolati di direzione e di velocità
del vento per un livello di quota dipende da numerosi fattori:
- conoscenza della velocità media di salita, che è
per la maggior parte delle volte il fattore preponderante;
- variazioni di questa velocità di salita, principalmente
negli strati bassi turbolenti;
- precisione del cronometraggio;
- deriva del pallone in caso di venti forti che lo allontanano
rapidamente dall'operatore;
- precisione delle misure d'angolo, effettuate generalmente a
circa 0,1 gradi, in dipendenza dalla qualità di inseguimento
ottico.
Dagli anni '30 sono stati messi
a punto dei teodoliti registratori con i quali si evita la presenza
di due operatori (uno per l'inseguimento e l'altro per la trascrizione
delle misure).
Prima dell'avvento dei microcalcolatori, la procedura delle misure
si faceva con una specie di regolo calcolatore.
Misura con due teodoliti
Per una migliore precisione, le misure possono essere
effettuate con due teodoliti distanti qualche chilometro. La sincronizzazione
delle misure è di fondamentale importanza e le posizioni
geografiche e le quote precise delle due stazioni di rilevamento
rientrano nel calcolo. Un vantaggio di questo metodo è
che non si ha bisogno di conoscere la velocità di salita
del pallone-pilota. Una difficoltà pratica è l'acquisizione
visiva del pallone per la stazione più lontana dal suo
punto di rilascio quando la nebbia riduce la visibilità
orizzontale. Un collegamento telefonico o radio è necessario
tra le diverse stazioni. La precisione delle misure dipende dalla
distanza tra il pallone e ciascuno dei teodoliti oltre che dall'angolo
formato tra i due rilevamenti; l'errore aumenta quando questo
angolo di allontana dall'angolo retto.
Questo metodo richiede al minimo quattro operatori (o meno se
vengono usati teodoliti registratori su carta) e i risultati non
sono noti se non al termine di calcoli abbastanza lunghi.
Limiti e inconvenienti del sondaggio con palloni-pilota e teodolite
Alla sua grande flessibilità d'uso e al suo basso costo
(fatta eccezione per i costi del personale necessario), il sondaggio
con palloni-pilota oppone degli inconvenienti:
- quota massima legata alla piattaforma nuvolosa, alla nebbia,
alle precipitazioni, alla vicinanza al sole...
- difficoltà a seguire i palloni in caso di venti forti;
in caso di perdita visuale, un nuovo sondaggio può essere
necessario;
- sondaggi notturni richiedenti l'uso di una lanterna in carta
bianca (ospitante una candela, in tempi remoti, nonché
di particolari precauzioni a causa dell'idrogeno del pallone);
- precisione limitata e sovente degradata a causa delle turbolenze,
della conoscenza imperfetta della velocità di salita...
Utilizzazione del RADAR
Agganciando un riflettore
radar sotto un pallone, senza radiosonda, è possibile
inseguire con ottima precisione gli spostamenti del pallone per
ricostruire la sua traiettoria e dedurne il diagramma dei venti.
Questo metodo è stato utilizzato dalla fine degli anni
'50, dove ha rimpiazzato l'uso del radioteodolite, fino all'avvento
dei sistemi di geolocalizzazione, in particolare del GPS.
Windsonde e radiovento
Quando il tempo non permette un sondaggio con pallone-pilota
e non si dispone di un radar di inseguimento, ingombrante e costoso,
viene usata una radiosonda particolare. Per criterio di economia,
quest'ultima, che porta il nome di radiovento o winsonde
o rawindsonde, non prevede sensori di temperatura e di
umidità e non trasmette che la sua quota attraverso la
misura di pressione, quando è dotata di un sensore di pressione,
cosa che non è sempre del caso. La sua traiettoria può
essere seguita con radioteodolite, radar o con un systema
di geolocalizzazione, attualmente il GPS.
La tendenza nel 2015
Con la miniaturizzazione e la riduzione spettacolare
dei costi dei moduli-riceventi GPS, i costruttori hanno messo
a punto delle radiosonde minuscole che pesano talvolta meno di
20 g e capaci di trasmettere la loro posizione nello spazio con
grandissima precisione. La loro leggerezza autorizza a non utilizzare
paracadute e il pallone che le trascina può essere un semplice
pallone-pilota molto economico. Con la tecnica SDR, un ricevitore
400 MHz può costare solo qualche decina di euro e rassomigliare
ad una chiavetta USB che si collega su un PC portatile, ovvero
un tablet. Tutto l'equipaggiamento per effettuare un radiosondaggio
di vento può essere portato a mani o in una tasca di un
abito. Questa piccola radiosonda non più grande di un tubetto
da medicine prende il nome di sonda-pilota
e va senza alcun dubbio a fare torto ai teodoliti da radiosondaggio.
Fonti e documenti
- Les Ballons-sondes de MM. HERMITE et BESANCON - W. de FONVIELLE
- Ed. GAUTHIER-VILLARS, Paris, 1898
- La navigation aérienne - Joseph Louis LECORNU - 1903
- (Gallica-BnF)
- Souvenirs de guerre - ALAIN - Paul HARTMANN éditeur,
1937
- La vitesse ascensionnelle des ballons-pilotes par J. ROUCH -
Le Génie civil tome LXXV numéro du 26/07/1919
- Alfred de QUERVAIN par Raoul Gautier - Le Globe 1927, n°1
- Les sondages aérologiques par ballons-pilote - J. ROUCH
- La Nature, 1919
- Website of Martin Brenner : Pilot
Balloon Resources
- Aerology by W.R. BLAIR in Proceedings of the American
Philosophical Society, Vol. 56, No. 3 (1917)
- Cours de Météorologie, sondages aérologiques
- Office National de Météorologie - 1933 et 1943
Sources et documents
- Les Ballons-sondes de MM. HERMITE et BESANCON - W. de FONVIELLE
- Ed. GAUTHIER-VILLARS, Paris, 1898
- La navigation aérienne - Joseph Louis LECORNU - 1903
- (Gallica-BnF)
- Souvenirs de guerre - ALAIN - Paul HARTMANN éditeur,
1937
- La vitesse ascensionnelle des ballons-pilotes par J. ROUCH -
Le Génie civil tome LXXV numéro du 26/07/1919
- Alfred de QUERVAIN par Raoul Gautier - Le Globe 1927, n°1
- Les sondages aérologiques par ballons-pilote - J. ROUCH
- La Nature, 1919
- Site Internet de Martin Brenner : Pilot
Balloon Resources
- Aerology by W.R. BLAIR in Proceedings of the American
Philosophical Society, Vol. 56, No. 3 (1917)
- Cours de Météorologie, sondages aérologiques
- Office National de Météorologie - 1933 et 1943