Radiosonda

Las radiosondas modernas muestran el progreso de la miniaturización

Un sonda GPS, aprox 220 × 80 × 75 mm (8.7 × 3.1 × 3 in) (con estación de tierra en el fondo, utilizado para realizar un 'control de suelo' y también recondición del sensor de humedad)

Una radiosonda es un instrumento de telemetría que funciona con baterías y que se transporta a la atmósfera, generalmente mediante un globo meteorológico, que mide varios parámetros atmosféricos y los transmite por radio a un receptor en tierra. Las radiosondas modernas miden o calculan las siguientes variables: altitud, presión, temperatura, humedad relativa, viento (tanto la velocidad como la dirección del viento), lecturas de rayos cósmicos a gran altura y posición geográfica (latitud/longitud). Las radiosondas que miden la concentración de ozono se conocen como ozonosondas.

Las radiosondas pueden funcionar a una frecuencia de radio de 403 MHz o 1680 MHz. Una radiosonda cuya posición se rastrea a medida que asciende para brindar información sobre la dirección y la velocidad del viento se denomina rawinsonda ("radar wind -sonde"). La mayoría de las radiosondas tienen reflectores de radar y técnicamente son radiosondas. Una radiosonda que se deja caer desde un avión y cae, en lugar de ser transportada por un globo, se llama sonda de caída. Las radiosondas son una fuente esencial de datos meteorológicos y cientos se lanzan diariamente en todo el mundo.

Historia

Kites usados para volar un meteograph

Meteógrafo utilizado por la Oficina Meteorológica de Estados Unidos en 1898

U.S. Bureau of Standards personnel launch radiosonde near Washington, DC in 1936

Los marineros estadounidenses lanzaron una radiosonda durante la Segunda Guerra Mundial

Los primeros vuelos de instrumentos aerológicos se realizaron en la segunda mitad del siglo XIX con cometas y meteógrafos, un dispositivo registrador de presión y temperatura que se recuperó después del experimento. Esto resultó ser difícil porque las cometas estaban unidas al suelo y eran muy difíciles de maniobrar en condiciones de ráfagas. Además, el sondeo se limitó a altitudes bajas debido al vínculo con el suelo.

Gustave Hermite y Georges Besançon, de Francia, fueron los primeros en 1892 en usar un globo para volar el meteógrafo. En 1898, Léon Teisserenc de Bort organizó en el Observatoire de Météorologie Dynamique de Trappes el primer uso regular diario de estos globos. Los datos de estos lanzamientos mostraron que la temperatura descendía con la altura hasta una determinada altitud, que variaba con la estación, y luego se estabilizaba por encima de esta altitud. El descubrimiento de De Bort de la tropopausa y la estratosfera se anunció en 1902 en la Academia de Ciencias de Francia. Otros investigadores, como Richard Aßmann y William Henry Dines, trabajaban al mismo tiempo con instrumentos similares.

En 1924, el coronel William Blaire del U.S. Signal Corps realizó los primeros experimentos primitivos con mediciones meteorológicas desde un globo, haciendo uso de la dependencia de la temperatura de los circuitos de radio. La primera radiosonda real que envió telemetría codificada precisa desde sensores meteorológicos fue inventada en Francia por Robert Bureau [fr]. Bureau acuñó el nombre "radiosonda" y voló el primer instrumento el 7 de enero de 1929. Desarrollado de forma independiente un año después, Pavel Molchanov voló una radiosonda el 30 de enero de 1930. El diseño de Molchanov se convirtió en un estándar popular debido a su simplicidad y porque convertía las lecturas del sensor a Morse código, por lo que es fácil de usar sin necesidad de equipo o formación especial.

Trabajando con una sonda Molchanov modificada, Sergey Vernov fue el primero en usar radiosondas para realizar lecturas de rayos cósmicos a gran altura. El 1 de abril de 1935, tomó medidas hasta 13,6 km (8,5 mi) usando un par de contadores Geiger en un circuito anticoincidencia para evitar contar lluvias de rayos secundarios. Esto se convirtió en una técnica importante en el campo, y Vernov voló sus radiosondas en tierra y mar durante los años siguientes, midiendo la dependencia de la latitud de la radiación causada por el campo magnético de la Tierra.

En 1936, la Marina de los EE. UU. asignó a la Oficina de Normas de los EE. UU. (NBS, por sus siglas en inglés) el desarrollo de una radiosonda oficial para uso de la Marina. El NBS le dio el proyecto a Harry Diamond, quien anteriormente había trabajado en radionavegación e inventó un sistema de aterrizaje ciego para aviones. La organización dirigida por Diamond finalmente (en 1992) se convirtió en parte del Laboratorio de Investigación del Ejército de los EE. UU. En 1937, Diamond, junto con sus asociados Francis Dunmore y Wilbur Hinmann, Jr., crearon una radiosonda que empleaba modulación de subportadora de audiofrecuencia con la ayuda de un oscilador de relajación de capacidad de resistencia. Además, esta radiosonda NBS era capaz de medir la temperatura y la humedad a mayores altitudes que las radiosonda convencionales en ese momento debido al uso de sensores eléctricos.

En 1938, Diamond desarrolló el primer receptor terrestre para la radiosonda, lo que impulsó el primer uso de servicio de las radiosondas NBS en la Armada. Luego, en 1939, Diamond y sus colegas desarrollaron una radiosonda terrestre llamada "estación meteorológica remota", que les permitió recopilar automáticamente datos meteorológicos en lugares remotos e inhóspitos. En 1940, el sistema de radiosonda NBS incluía un impulsor de presión, que medía la temperatura y la humedad como funciones de la presión. También recopiló datos sobre el espesor de las nubes y la intensidad de la luz en la atmósfera. Debido a esta y otras mejoras en el costo (alrededor de $ 25), el peso (> 1 kilogramo) y la precisión, se produjeron cientos de miles de radiosondas estilo NBS en todo el país con fines de investigación, y el aparato fue adoptado oficialmente por la Oficina Meteorológica de EE. UU..

Diamond recibió el Premio de Ingeniería de la Academia de Ciencias de Washington en 1940 y el Premio IRE Fellow (que luego pasó a llamarse Premio Harry Diamond Memorial) en 1943 por sus contribuciones a la radiometeorología.

La expansión de los servicios gubernamentales de pronóstico del tiempo económicamente importantes durante la década de 1930 y su creciente necesidad de datos motivó a muchas naciones a comenzar programas regulares de observación de radiosondas.

En 1985, como parte del programa Vega de la Unión Soviética, las dos sondas Venus, Vega 1 y Vega 2, lanzaron cada una una radiosonda en la atmósfera de Venus. Las sondas fueron rastreadas durante dos días.

Aunque la teledetección moderna por satélites, aeronaves y sensores terrestres es una fuente cada vez mayor de datos atmosféricos, ninguno de estos sistemas puede igualar la resolución vertical (30 m (98 pies) o menos) y la cobertura de altitud (30 km (19 mi)) de las observaciones de radiosondeo, por lo que siguen siendo esenciales para la meteorología moderna.

Aunque se lanzan cientos de radiosondas en todo el mundo cada día durante todo el año, las muertes atribuidas a las radiosondas son raras. El primer ejemplo conocido fue la electrocución de un liniero en los Estados Unidos que intentaba liberar una radiosonda de las líneas eléctricas de alta tensión en 1943. En 1970, un Antonov 24 que operaba el vuelo 1661 de Aeroflot sufrió una pérdida de control después de golpear una radiosonda en vuelo. resultando en la muerte de las 45 personas a bordo.

Operación

Un globo de goma o látex lleno de helio o hidrógeno eleva el dispositivo a través de la atmósfera. La altura máxima a la que asciende el globo está determinada por el diámetro y el grosor del globo. Los tamaños de los globos pueden variar de 100 a 3000 g (3,5 a 105,8 oz). A medida que el globo asciende a través de la atmósfera, la presión disminuye y hace que el globo se expanda. Eventualmente, el globo se expandirá hasta el punto de que su piel se romperá, terminando el ascenso. Un globo de 800 g (28 oz) estallará a unos 21 km (13 mi). Después de estallar, un pequeño paracaídas en la línea de soporte de la radiosonda puede ralentizar su descenso a la Tierra, mientras que algunos dependen de la resistencia aerodinámica de los restos triturados del globo y del peso muy ligero del propio paquete. Un vuelo típico de radiosonda dura de 60 a 90 minutos. Una radiosonda de la base aérea de Clark, Filipinas, alcanzó una altitud de 47 272 m (155 092 pies).

La radiosonda moderna se comunica por radio con una computadora que almacena todas las variables en tiempo real. Las primeras radiosondas se observaron desde el suelo con un teodolito y dieron solo una estimación del viento por la posición. Con la llegada del radar por Signal Corps, fue posible rastrear un objetivo de radar transportado por los globos con el radar SCR-658. Las radiosondas modernas pueden utilizar una variedad de mecanismos para determinar la velocidad y la dirección del viento, como un radiogoniómetro o un GPS. El peso de una radiosonda suele ser de 250 g (8,8 oz).

A veces, las radiosondas se despliegan dejándolas caer desde un avión en lugar de ser transportadas por un globo. Las radiosondas desplegadas de esta manera se llaman dropsondas.

Lanzamientos de radiosonda de rutina

Los globos meteorológicos de radiosondas se han utilizado convencionalmente como medio para medir los perfiles atmosféricos de humedad, temperatura, presión, velocidad y dirección del viento. Los datos de alta calidad, espacial y temporalmente “continuos” del monitoreo del aire superior junto con las observaciones de superficie son bases críticas para comprender las condiciones meteorológicas y las tendencias climáticas y proporcionar información meteorológica y climática para el bienestar de las sociedades. La información confiable y oportuna respalda la preparación de la sociedad para condiciones climáticas extremas y patrones climáticos cambiantes.

En todo el mundo, hay alrededor de 1300 sitios de lanzamiento de radiosondas. La mayoría de los países comparten datos con el resto del mundo a través de acuerdos internacionales. Casi todos los lanzamientos de radiosondas de rutina ocurren una hora antes de las horas oficiales de observación de las 0000 UTC y las 1200 UTC para centrar las horas de observación durante el ascenso de aproximadamente dos horas. Las observaciones de radiosonda son importantes para el pronóstico del tiempo, las alertas y avisos de tiempo severo y la investigación atmosférica.

El Servicio Meteorológico Nacional de los Estados Unidos lanza radiosondas dos veces al día desde 92 estaciones, 69 en los Estados Unidos contiguos, 13 en Alaska, nueve en el Pacífico y una en Puerto Rico. También apoya la operación de 10 sitios de radiosondeo en el Caribe. Puede encontrar una lista de los sitios de lanzamiento terrestres operados por EE. UU. en el Apéndice C, Estaciones de Rawinsonde terrestres de EE. UU. del Manual Meteorológico Federal #3, titulado Observaciones de Rawinsonde y Pibal, con fecha de mayo de 1997.

El Reino Unido lanza las radiosondas RS41 de Vaisala cuatro veces al día (una hora antes de las 00, 06, 12 y 18 UTC) desde 6 sitios de lanzamiento (de sur a norte): Camborne, (lat,lon)=(50.218, -5.327), extremo suroeste de Inglaterra; Herstmonceux (50,89, 0,318), cerca de la costa SE; Watnall, (53.005, -1.25), centro de Inglaterra; Castor Bay, (54,50, -6,34), cerca de la esquina SE de Lough Neagh en Irlanda del Norte; Albemarle, (55.02, -1.88), NE de Inglaterra; y Lerwick, (60.139, -1.183), Shetland, Escocia.

Usos de las observaciones del aire superior

Supercomputadoras que ejecutan modelos numéricos procesan rutinariamente los datos del aire superior sin procesar. Los pronosticadores a menudo ven los datos en formato gráfico, trazados en diagramas termodinámicos como diagramas Skew-T log-P, Tephigrams y Stüve, todos útiles para la interpretación del perfil termodinámico vertical de temperatura y humedad de la atmósfera. así como cinemática de perfil de viento vertical.

Los datos de la radiosonda son un componente de vital importancia en la predicción numérica del tiempo. Debido a que una sonda puede desplazarse varios cientos de kilómetros durante el vuelo de 90 a 120 minutos, puede existir la preocupación de que esto podría generar problemas en la inicialización del modelo. Sin embargo, esto no parece ser así excepto quizás localmente en regiones de corrientes en chorro en la estratosfera. Este problema puede resolverse en el futuro con drones meteorológicos, que tienen un control preciso sobre su ubicación y pueden compensar la deriva.

Lamentablemente, en las partes menos desarrolladas del mundo, como África, que tiene una alta vulnerabilidad a los impactos de los fenómenos meteorológicos extremos y el cambio climático, hay escasez de observaciones en la superficie y en altura. El estado alarmante del problema ha sido destacado recientemente por la Organización Meteorológica Mundial, que afirmó que hay “una disminución dramática de casi el 50% de 2015 a 2020 en el número de vuelos y/u observaciones de radiosondas, el tipo más importante de superficie- observaciones basadas en predicciones meteorológicas y análisis del clima” y, además, “ahora tiene una cobertura geográfica más pobre”. En las últimas dos décadas, alrededor del 82 % de los países de África han experimentado una brecha de datos de radiosondas grave (57 %) y moderada (25 %). Esta terrible situación ha provocado un llamado a la necesidad urgente de llenar el vacío de datos en África y en todo el mundo. La gran brecha de datos en una parte tan grande de la masa terrestre global, hogar de algunas de las sociedades más vulnerables, el llamado antes mencionado ha impulsado un esfuerzo global para "tapar la brecha de datos" en la próxima década y detener un mayor deterioro en las redes de observación..

Regulación internacional

Según la Unión Internacional de Telecomunicaciones, un servicio de ayudas meteorológicas (también: servicio de radiocomunicaciones de ayudas meteorológicas) es, según el artículo 1.50 de el Reglamento de Radiocomunicaciones (RR) de la UIT, definido como "Un servicio de radiocomunicaciones utilizado para observaciones meteorológicas, incluidas las hidrológicas, y exploración." Además, según el artículo 1.109 del RR UIT:

Una radiosonda es un transmisor automático de radio en el servicio de ayudas meteorológicas generalmente llevado en un avión, globo libre, cometa o paracaídas, y que transmite datos meteorológicos. Cada uno radiotransmisor será clasificado por el Servicio de radiocomunicaciones en la que opera permanente o temporal.

Asignación de frecuencia

La asignación de frecuencias de radio se proporciona de acuerdo con el Artículo 5 del Reglamento de Radiocomunicaciones de la UIT (edición de 2012).

Para mejorar la armonización en la utilización del espectro, la mayoría de las asignaciones de servicios estipuladas en este documento se incorporaron en las tablas nacionales de asignación y utilización de frecuencias, lo cual es responsabilidad de la administración nacional correspondiente. La asignación puede ser primaria, secundaria, exclusiva y compartida.

• asignación primaria: se indica por escrito en mayúsculas (véase el ejemplo infra)
• asignación secundaria: se indica por letras pequeñas
• utilización exclusiva o compartida: es responsabilidad de las administraciones

Sin embargo, el uso militar, en bandas donde hay uso civil, estará de acuerdo con las Regulaciones de Radio de la UIT.

Ejemplo de asignación de frecuencias