8.3. Rádiószonda mérések

A rádiószonda mérések célja a légnyomás, szél, léghőmérséklet és légnedvesség közvetlen mérése a troposzférában és a sztratoszféra egy részén.

8.3.1. Rádiószonda mérésekkel kapcsolatos alapfogalmak

8.3.1.1. Rádiószonda

A rádiószonda egy ballon és a ballonnal a légkörbe emelt műszerek együttese egy, vagy több meteorológiai állapothatározó (légnyomás, hőmérséklet, nedvesség stb.) mérése céljából egy rádióadóval ellátva, mely a mért információkat az észlelő állomásra juttatja.

A régebben használt, rádióadó nélküli szondákat ballonszondának hívták.

8.3.1.2. Rádiószonda észlelés

A meteorológiai változók magaslégköri észlelése rádiószondával.

8.3.1.3. Rádiószonda állomás

A rádiószonda állomás olyan meteorológiai állomás, ahonnan rádiószonda felbocsátás történik. Magyarországon Budapest Pestszentlőrinc és Szeged állomásokról történik rádiószonda felbocsátás napi 1-1 alkalommal 00 UTC-kor (régebben napi két észlelés történt mindkét állomáson, 00 és 12 UTC-kor, később Szegeden csak 1 alkalommal, néhány éve pedig mindkét állomásról csak napi egy szondát bocsátanak fel). Az észlelés időpontja itt azt jelenti, hogy a rádiószonda nagyjából ebben az időben legyen a tropopauza magasságában (nagyjából 11–12 km magasan a közepes földrajzi szélességeken). Emiatt a szonda felbocsátás helyi időben 00:30 körül történik a téli időszámítás szerint, és 01:30 körül a nyári időszámítás idején.

Világszerte mintegy 700 rádiószonda állomás működik. Magyarország környezetében Bécs, Pozsony, Poprád, Kassa, Ungvár, Kolozsvár, Arad, Belgrád, Zágráb, Ljubljana, Graz állomásokon végeznek rádiószonda méréseket.

A légkörben egyre magasabbra haladva, a légköri állapothatározók értékei horizontálisan egyre kisebb változást mutatnak. Ezért a rádiószonda állomások térbeli eloszlása ritkább, mint a földfelszíni meteorológiai állomásoké.

8.3.1.4. Rádiószonda mérések maximális magassága

A rádiószonda mérések általában 35 km-es magasságig történnek, de sok helyen csak 25 km-ig, mert a magasabban, ezáltal alacsonyabb nyomáson történő mérések nagymértékben megnövelik a költségeket (ballon, gáz, műszerek).

A hőmérsékletmérés hibája gyorsan növekszik alacsony nyomáson, ami szintén határt szab több típusú rádiószondának.

8.3.1.5. Rádiószonda felépítése

A rádiószonda három fő részből áll, ezek a következők:

  1. szenzorok,

  2. jelátalakító (elektromos jel előállítása),

  3. rádióadó.

Az energiaellátás során ügyelni kell arra, hogy a felhasznált elemek hosszú életűek, könnyűek és környezetkímélők legyenek.

8.3.2. Rádiószonda mérések eredményei

A rádiószonda mérések alapján a légkör állapotáról, vertikális szerkezetéről az alábbi információkat kapjuk:

  • hőmérséklet vertikális profilja a felszíntől nagyjából 35 km magasságig,

  • légnedvesség vertikális profilja a felszíntől nagyjából 35 km magasságig,

  • légnyomás vertikális profilja a felszíntől nagyjából 35 km magasságig,

  • szélsebesség vertikális profilja a felszíntől nagyjából 35 km magasságig,

  • szélirány vertikális profilja a felszíntől nagyjából 35 km magasságig,

továbbá:

  • légkör stabilitási viszonyai,

  • a planetáris határréteg magassága,

  • felhőzet és köd vertikális szerkezete,

  • felhőzet mennyisége.

A rádiószonda felbocsátása után a szél hatására távoli területekre sodródhat.

8.3.3. Rádiószonda mérések felhasználási területei

A rádiószonda mérések felhasználási területe rendkívül széleskörű, hiszen ezek a mérések jelentik a légkör néhányszor tíz kilométeres rétegéről a legmegbízhatóbb adatokat. Néhány felhasználási terület:

  1. A magaslégköri hőmérséklet és relatív nedvesség mérések a numerikus előrejelzései modellek alap kezdeti értékei. A változók pontos mérése rendkívül fontos az előrejelzés számára, különösen regionális és lokális skálán.

  2. Planetáris határréteg magasságának a meghatározására (szennyezőanyag terjedési modellek bemenő adata).

  3. Légköri visszaverődés hatása (elektromágneses és hanghullámok terjedésének előrejelzése).

  4. A repülés kiszolgálása.

  5. Magaslégköri éghajlatváltozással kapcsolatos kutatások (fontos a hosszabb távon folyó mérések összehasonlíthatósága).

  6. Űrkutatási feladatok (pl. űrrepülőgépek felbocsátása).

  7. Katonai célok (tüzérségi lövedékek röppályájának számítása).

8.3.4. Rádiószonda mérések műszerkövetelményei

A rádiószonda mérések során alapvetően két követelménynek kell megfelelniük a műszereknek:

  1. széles tartományban tudjanak mérni,

  2. zord időjárási körülmények között is képesek legyenek üzemelni.

A széles tartományú mérést az indokolja, hogy a több 10 km-es emelkedés során a légköri állapothatározók rendkívül nagy mértékű változást mutatnak. A mérésekkel szemben támasztott követelmények a következők:

  • Légnyomás: 1050 – 5 hPa

  • Hőmérséklet: 50 °C – (–90 °C)

  • Nedvesség: 100 – 1%.

Ezek a mérési tartományok jóval szélesebbek, mint a földfelszíni mérések során.

A műszerek másik alapvető követelménye, hogy az emelkedés során bekövetkező szélsőséges időjárási helyzetekben (pl. erős csapadékhullás, zivatar közelsége, jegesedés stb.) is megfelelően működjenek, és képesek legyenek a légköri állapothatározók értékeiben bekövetkező, gyakran rendkívül gyors változásokat is követni.

8.3.5. Rádiószonda mérések adatkövetelményei

A különböző állapothatározók rádiószondás mérések során támasztott adatkövetelményeit a 8.3. táblázat tartalmazza.

8.3. táblázat: Rádiószondás mérések mérési programjának adatkövetelményei (Forrás: WMO, 2008)

Változó

Terjedelem

Pontossági követelmény

nyomás

felszíntől 5 hPa

± 1 hPa

hőmérséklet

felszíntől 100 hPa

100 hPa – 5 hPa

± 0,5 K

± 1 K

relatív nedvesség

troposzférában

± 5%

szélirány

felszíntől 100 hPa

100 hPa – 5 hPa

± 5° ha a szélsebesség < 15m s–1

± 2,5 ° ha a szélsebesség > 15m s–1

szélsebesség

felszíntől 100 hPa

100 hPa – 5 hPa

± 1 ms–1

± 2 ms–1

szignifikáns szintek

(fő-izobárszintek) geopotenciál magassága

felszíntől 100 hPa

± 1% a felszín közelében

± 0,5% 100 hPa-on

8.3.6. A rádiószonda mérések és a közvetett mérések összehasonlítása

A rádiószonda mérések során a műszereket közvetlenül a mérendő közegbe juttatják (in situ mérések). Ez pontos mérést tesz lehetővé, ugyanakkor térben és időben korlátozottan állnak rendelkezésre az adatok.

A légköri állapothatározók (hőmérséklet, nedvesség stb.) vertikális profiljai közvetett módon, távérzékelési módszerekkel is meghatározható. Ezek lehetnek felszíni mérések, vagy műholdak által végzett megfigyelések. A műholdas mérések során (lásd később) a különböző hullámhossz-tartományokban észlelve gyakorlatilag a légkör bármely pontjáról információt szerezhetünk. Ez elsősorban az időjárás előrejelzések készítésénél fontos, hiszen olyan területekről is adatokhoz jutunk, ahol egyébként nincs, vagy nagyon kevés közvetlen mérési eredmény áll rendelkezésre (pl. óceánok felett, vagy ritkán lakott térségekben). Más, földbázisú távérzékelési eszközök (pl. sodar, lidar, wind-profiler stb., – lásd később) alapvető előnye a kvázi folytonos adatgyűjtés lehetősége.

Ugyanakkor figyelembe kell venni azt is, hogy az egyes állapothatározók meghatározása esetében a távérzékelési módszerek pontatlanabb értékeket szolgáltatnak, mint a rádiószondás, megfigyelések.

A közvetett és közvetlen távérzékelési mérések egymást kiegészítve szolgáltatnak hasznos információt a légkör állapotáról.

8.3.7. Légköri állapothatározók a rádiószondás felszállások során

A rádiószondás mérés során általában több meteorológiai állapothatározó együttes mérése történik. Az egyes mérések ciklikusak, általában 1–2 másodpercig tartanak. Ez lehetővé teszi, hogy normál emelkedés mellett 5–10 méterenként kapjunk információt a légkör állapotáról.

8.3.7.1. Hőmérséklet mérés rádiószondás felszállások során

A hőmérőkkel támasztott általános műszer követelmények magaslégköri felszállások során a következők:

  • gyors reagálási idő,

  • védelem a napsugárzás, valamint a visszasugárzott infravörös hősugárzás ellen,

  • ellenállóképesség,

  • stabilitás,

  • reprodukálhatóság.

A magaslégköri mérések során általában az alábbi szenzor típusokat alkalmazzák:

  1. Termisztor: kerámiából készült szenzor, melynek nagy az elektromos ellenállása és a hőmérséklet magváltozásával exponenciálisan csökken.

  2. Termokapacitív szenzor: általában bárium-stroncium-titán anyagból. Ennek permittivitása változik a hőmérséklet függvényében. Nagyon kis méretű szenzor (átmérő: 1,2 mm, de létezik 0,1 mm átmérőjű is) – a kis méret által kiküszöbölhető a sugárzás hatása.

  3. Ellenállás hőmérő: előnye a hőmérséklettel való lineáris kapcsolat, a gyors válaszidő és a kis sugárzási hiba. Hátránya, hogy elég sérülékeny.

  4. Termoelem: pl. réz-konstantán. A különböző fémek elektronjainak mozgékonysága eltérő. Ha két különböző fémet mindkét végén összeforrasztunk, az egyikből elektronok lépnek át a másikba. Az egyik forrasztási pontot állandó hőmérsékleten tartva a másik hőmérsékletét változtatva áram indul meg a rendszerben, amit egy közbeiktatott árammérővel mérhetünk. A fix pontot a rádiószonda belsejében egy közelítőleg állandó hőmérsékletű helyen kell tartani. Ezt az állandó hőmérsékletet például egy réz ellenállással határozzák meg.

  5. Bimetál szenzor: régebben általában ezt a típust használták. Ez egy 0,2 mm vastag, 130 mm hosszú spirális szenzor a sugárzástól védett helyen elhelyezve. A mechanikai változást (hőtágulást) egy kódlemezre regisztrálta a műszer. Hibája a nagy sugárzási érzékenység (különösen 20 hPa felett), és a lassú reakcióidő, ezért ma már egyre kevesebb helyen használják.

8.3.7.2. Légnyomás mérése rádiószondás felszállások során

A légkörben felfelé haladva folyamatosan csökken a légnyomás. A légnyomás és a magasság közötti kapcsolatot felhasználva nyomásszenzor alkalmazása helyett a légnyomás értéke a rádiószonda magasságának meghatározásából is származtatható.

Ez nagy mértékben csökkenti a kiadásokat, ugyanakkor a magasság mérése a gyakorlatban pontatlanabb, mint a közvetlen nyomásmérés, ezért általában nyomásmérő szenzort is alkalmaznak a rádiószondás felszállás során.

A légnyomás megváltozása valamilyen elektromos, vagy mechanikus hatást idéz elő az alkalmazott műszerekben. A felszállás során tág határok között kell mérni a légnyomást és a rendkívül kis változást is érzékelni kell.

A magaslégköri mérések során általában az alábbi szenzor típusokat alkalmazzák:

  1. Aneroid kapszula: leggyakrabban ezt használják. Régebben 50–60 mm átmérőjűek voltak. A kapszula mechanikai megváltozása valamilyen detektálható jellé alakítható. A változás függ a doboz rugalmasságától, és a kapszula felszínének méretétől.

  2. Kapacitív aneroid kapszula: kisebb átmérőjű (30 mm), doboz, melynek mechanikai megváltozását egy belső, beépített kondenzátor méri.

  3. Szilikon szenzor: nagyon kis méterű érzékelő. Egy félvezetőben egy kis üreget képeznek ki, melyet nagyon vékony szilikon réteggel vonnak be. Ennek a vékony szilikon rétegnek a vastagsága változik a nyomásváltozás hatására. E kis mértékű változás piezoellenállással mérhető.

  4. Hipszométer: régebben alkalmazták magaslégköri nyomás mérésére valamilyen alacsony forráspontú folyadék forráspontjából számítva a légnyomást. A folyadékok forrása (az az állapot, ahol a folyadék fázisból megtörténik a gőzfásisba való átmenet) ugyanis a légnyomás függvényében eltérő hőmérsékleten következik be. Alacsonyabb légnyomáson alacsonyabb a folyadékok forráspontja (8.4. táblázat). (A Kékestetőn a víz például 96 °C-on forr. A nagyjából 37 °c-os vér forráspontja pedig 62 hPa nyomáson következik be.)

8.4. táblázat: A víz forráspontja különböző légnyomás értékek mellett, valamint a forráspont változásának nagysága. A forráspont légnyomástól függő változását régebben a forráspont-mérőkben (hipszométerek) használták ki.

Légnyomás (hPa)

Víz forráspontja (°C)

A forráspont változása (°C/hPa)

1000

100

0,03

100

46

0,2

10

7,2

1,5

8.3.7.3. Légnedvesség mérése rádiószondás felszállások során

A rádiószondás felszállások során általában a relatív nedvességet (esetleg más nedvességi mérőszámot, például harmatpontot) határoznak meg különböző típusú szenzorokkal. A nedvesség mérése azon alapul, hogy vízmolekulák gyorsan cserélődnek a légkör és a mérőműszer között. A legtöbb modern relatív nedvesség-mérő szenzor nagyjából –10 °C-ig hasonló pontossággal mér. Alacsony hőmérsékleten és nyomáson azonban nagyon nehézzé válik a mérés. Itt az érzékelők jóval lassabban reagálnak, mint a hőmérsékletmérők.

A nedvességmérőket először kalibrálni kell (a legtöbb relatív nedvesség-mérő szenzor hőmérsékletfüggő). A mérés során védelmet kell biztosítani a csapadék közvetlen hatása ellen, (ugyanakkor figyelembe kell venni, hogy a védőburkolatról történő párolgás is okozhat hibát). A sztratoszféra alacsony hőmérsékletű és alacsony nyomású tartományában nem végezhető kielégítő pontosságú nedvességmérés.

A magaslégköri mérések során általában az alábbi szenzor típusokat alkalmazzák:

a.) Abszorpciós higrométerek: Itt a mérőelem a következő lehet:

  • alumínium-dioxid vékonyréteg kondenzátor (ennek a szenzornak az impedanciája változik a az abszorbeált vízmolekulák, vagyis a harmatpont függvényében),

  • vegyileg kezelt stirol kopolimer réteg, melynek átvezetési ellenállása változik a nedvesség függvényében,

  • vékonyréteg, polimer dielektromos kondenzátor, amelynek kapacitása változik a relatív nedvesség függvényében.

b.) Szén-hygristor:

Hasonló karakterisztikákkal rendelkező szenzor, mint az abszorpciós higrométer.

c.) Aranyütő hártya (állati, általában szarvasmarha gyomorból preparált hártya):

Régebben alkalmazták a modernebb szenzorok megjelenése előtt. Az érzékelő 0 és 100% relatív nedvesség között mindössze 5–7%-kal nyúlik meg, a megnyúlás mértékét egy írókarral amit regisztrálóhoz lehetett csatlakoztatni.

d.) Lítium-klorid szenzor (ellenállás mérés):

Ez a típus lassan reagál és 600 hPa alatt nem ad megbízható értéket. Egy kis, szigetelő anyagból készült hengerre vékony, nem vezető anyagot (üvegszövetet) csévélnek és átitatják valamilyen sóoldattal (pl. lítium-kloriddal). Erre a műszer a környező levegőből vizet vesz fel és ezáltal vezetővé válik. Az üvegszövet két végéhez elektródák csatlakoznak, amelyekre 20–25 V váltófeszültséget kapcsolnak. Ha a mérőelem a levegőből vizet vesz fel, nő a vezetőképessége, ezáltal a rajta átfolyó áram is. Emiatt növekszik a sóoldat hőmérséklete is. A növekvő hőmérsékletű sóoldat vizet ad le. Adott nedvességtartalomhoz létezik egy egyensúlyi hőmérséklet, melyen a sóoldatba be és kilépő vízmolekulák száma megegyezik. Ezt egy platina ellenállás hőmérővel mérhetjük. Az így kapott hőmérséklet a levegő harmatpontjának a függvénye.

8.3.7.4. Magassági szél meghatározása rádiószondás felszállások során

A szélirány és szélsebesség meghatározására külön műszereket nem alkalmaznak, azt a ballon emelkedéséből és sodródásából lehet meghatározni. Ezáltal pontos információt kapunk a különböző magasságokban uralkodó szélviszonyokról.

8.3.8. Rádiószonda felbocsátása és a mérések végrehajtása

Az első lépés a mérés előkészítésre. Ehhez a műszereket kalibrálni kell (szobában, vagy mérőházban) a pontos mérés érdekében (8.6. ábra). A kalibrálás után megfelelő helyen hidrogénnel, vagy héliummal felfújják a ballont (8.7. ábra). Magyarországon a hidrogén terjedt el. Előnye, hogy olcsóbb, hátránya, hogy tűz- és robbanásveszélyes. A munkavédelmi szabályok betartásával azonban ez a hátrány kiküszöbölhető. A meteorológiai szondázásból fakadó baleset Magyarországon még nem történt. Egyes országokban (például Japánban) azonban nem engedélyezett a hidrogén alkalmazása.

A ballonba a hidrogén egy földalatti hidrogéntárolóból jut el, egy csővezetéken keresztül. A felfújás során egy előre beállított mérleg (8.8. ábra) szabályozza a ballonba töltött gáz mennyiségét. Amikor eléri a megfelelő tömeget, a gázcsap elzáródik. A ballonra erősítik a rádiószondát (a kettő közé általában egy ún. szögletvisszaverőt is erősítenek, mely később majd az esést mérsékli) (8.9. ábra), majd az észlelés időpontjában felbocsátják (8.10. ábra). A felbocsátás általában az észlelő személyzet által történik, de léteznek automata rádiószonda felbocsátó rendszerek is (ezek azonban erős szélben nem alkalmazhatók). Egyes állomásokon a repülés biztonsága érdekében – elsősorban a repülőterek környezetében lévő rádiószonda állomásokon – engedély szükséges a felbocsátáshoz.

Rádiószonda kalibrálása felbocsátás előtt az Országos Meteorológiai Szolgálat Pestszentlőrinci Obszervatóriumában

8.6. ábra: Rádiószonda kalibrálása felbocsátás előtt az Országos Meteorológiai Szolgálat Pestszentlőrinci Obszervatóriumában

Rádiószonda mérésekhez használt ballon felfújása

8.7. ábra: Rádiószonda mérésekhez használt ballon felfújása hidrogénnel megfelelő helyiségben (Országos Meteorológiai Szolgálat szegedi meteorológiai állomás).

A rádiószondát a ballon a magasba emeli. A ballon emelkedése során folyamatosan sodródik a magassági széllel. A nagyjából másfél órás emelkedés alatt horizontális irányban akár 100–200 km-re is eltávolodhat a felbocsátás helyétől. A rádiószonda pozícióját egy GPS szenzor méri.

Emelkedés során, ahogy a külső légnyomás csökken, a ballon egyre tágul. Egy ponton túl a ballon anyaga elpattan. Ez általában 30–35 km-es magasságban következik be. A ballon kipukkadása után a rádiószonda lezuhan.

Az Országos Meteorológiai Szolgálatnál Vaisala RS92-SGP rádiószondát alkalmaznak (8.11. ábra).

A ballonba töltött gáz mennyiségét egy mérleg szabályozza

8.8. ábra: A ballonba töltött gáz mennyiségét egy mérleg szabályozza. Ha az előre beállított mennyiségű gáz a ballonba jutott, a gázcsap automatikusan elzár (Országos Meteorológiai Szolgálat, szegedi meteorológiai állomás).

A ballonra erősítenek egy szögletvisszaverőt és a rádiószondát.

8.9. ábra: A ballonra erősítenek egy szögletvisszaverőt és a rádiószondát. (Országos Meteorológiai Szolgálat, Pestszentlőrinci Főobszervatórium). A ballont a hangárban fújják fel, majd kihozzák egy szabad területre, ahonnan a felbocsátás történik.

A rádiószonda felbocsátása

8.10. ábra: A rádiószonda felbocsátása (Országos Meteorológiai Szolgálat, Pestszentlőrinci Főobszervatórium). A magyarországi gyakorlatban a Vaisala RS92-SGP rádiószondákat alkalmazzák.

Az Országos Meteorológiai Szolgálat által használt Vaisala RS92-SGP rádiószonda

8.11. ábra: Az Országos Meteorológiai Szolgálat által használt Vaisala RS92-SGP rádiószonda (www.vaisala.com). A hőmérsékletet egy kis méretű Pt 100-as platina ellenállás hőmérő méri, aminek elektromos ellenállása változik meg a hőmérséklet függvényében. A relatív nedvességet két vékonyréteg film között mérik, aminek elektromos kapacitása egyenes arányban változik a relatív páratartalom növekedésével. A nedvességmérőből két szenzort is alkalmaznak, aminek az az oka, hogy a légkör magasabb szintjein gyakran előfordulhat, hogy a légköri víz ráfagy a szenzorra, ami ellehetetleníti a további mérést. Ilyenkor az egyik szenzor mér, a másik szenzort pedig elektromosan fűti a szonda, amíg le nem olvad. Egyes szondáknál a dobozban légnyomásmérő szenzort is alkalmaznak. A hőmérséklet, relatív nedvesség és légnyomás adatokat egy kis adó továbbítja a földi állomásra. A rádiójelek továbbítása 400–406 MHz között történik frekvencia modulációval (FM). A pozicionálást egy GPS antenna biztosítja, a pontos helymeghatározás az alapja a magassági szélirány és szélsebesség meghatározásának is.