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La misura dei venti in quota - il pallone-pilota

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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 radiosondaggioIl "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