ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ ΜΕ ΤΟ ΥΨΟΣ. 1. Εισαγωγή

Transcript

1 ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ ΜΕ ΤΟ ΥΨΟΣ 1. Εισαγωγή Πολλές φορές κρίνεται σκόπιμη η πραγματοποίηση μετρήσεων με το ύψος. Συγκεκριμένα είναι απαραίτητη η συλλογή πληροφορίας η οποία αναφέρεται σε διαφορετικά ύψη από την επιφάνεια του εδάφους μέχρι το τέλος της ατμόσφαιρας. Οι μετρήσεις αυτές προφανώς καλύπτουν την περιοχή της φυσικής της Ατμόσφαιρας και της ποιότητας του αέρα. Για τις μετρήσεις αυτές στο πέρασμα του χρόνου έχουν αναπτυχθεί διάφορες τεχνικές οι οποίες επιτρέπουν οι μετρήσεις είτε να πραγματοποιηθούν επιτόπια είτε από απόσταση. Και για τις δύο αυτές περιπτώσεις υπάρχουν πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα τα οποία θα πρέπει κανείς να τα αναλύσει σε συνδυασμό με το κόστος απόκτησης του εξοπλισμού και το κόστος χρησιμοποίησης του, προκειμένου να επιτευχθούν οι συγκεκριμένες μετρήσεις.. Τύποι προσεγγίσεων και μετρήσεων με το ύψος.1 Eπιτόπιες,(in-situ) Oι επιτόπιες μετρήσεις χρησιμοποιούν «αφιερωμένες τεχνικές» που έχουν τεκμηριωθεί στην Διεθνή βιβλιογραφία. Οι τεχνικές αυτές περιλαμβάνουν τους μετεωρολογικούς πύργους, τα δέσμια αερόστατα, τα ελεύθερα αερόστατα, τα αεροσκάφη και τους πυραύλους. Στην συνέχεια θα αναφερθούν ορισμένα στοιχεία για τις περιπτώσεις των προηγουμένων συστημάτων πραγματοποίησης επιτόπιων μετρήσεων. Γίνεται φανερό ότι το σύνολο των συστημάτων αυτών λειτουργεί σαν πλατφόρμες υποστήριξης εξοπλισμού. Δηλαδή στις πλατφόρμες αυτές τοποθετείται εξοπλισμός ο οποίος μπορεί να πραγματοποιήσει όχι μόνο μετεωρολογικές παρατηρήσεις αλλά και εξοπλισμό για την αποτύπωση της ποιότητας του αέρα. Στα πλαίσια αυτά θα αναφερθούν τα ακόλουθα βασικά χαρακτηριστικά : α) Μετεωρολογικοί πύργοι Οι Μετεωρολογικοί πύργοι διακρίνονται μεταξύ τους από το μέγεθος τους. Σήμερα η Μετεωρολογικοί πύργοι ξεκινούν από ύψοι 5 με 10μέτρα και φτάνουν στους υψηλότερους οι οποίοι ξεπερνούν τα 300 μέτρα. Στους Μετεωρολογικούς αυτούς πύργους μπορεί να τοποθετηθεί εξοπλισμός ανάλογα με το βάρος του και την ικανότητα των Πύργων να το υποστηρίξουν. Οι Μετεωρολογικοί αυτοί πύργοι έχουν ένα κόστος που μπορεί να ξεκινήσει για την περίπτωση ενός δεκάμετρου πύργου από λίγες δεκάδες χιλιάδες δραχμές και για την περίπτωση των 300 μέτρων να ξεπεράσει το 1δις δολλάρια. Οι φωτογραφίες που παρατίθενται αποτυπώνουνε Μετεωρολογικούς πύργους οι οποίοι φέρουν εξοπλισμό και δείχνουν επίσης των τρόπο ανάπτυξης του πύργου μαζί με τον εξοπλισμό στο χώρο. Η εικόνα που δείχνει το δικτυωτό ιστό αναφέρεται προφανώς στην ανάπτυξη ενός τέτοιου πύργου ο οποίος μπορεί να ξεπεράσει τα 100 μέτρα και για την περίπτωση αυτή παρουσιάζει τον Μετεωρολογικό Πύργο του Δημόκριτου στην Αττική.

2 Mετρήσεις με το ύψος Επιτόπιες, (in-situ) Μετ/κοί Πύργοι Δέσμια Αερόστατα Αεροσκάφη H/M Πύραυλοι Ελεύθερα Αερόστατα Ραδιοβολίδες Τροχιοδεικτικά Είναι χρήσιμο να παρουσιαστεί ένα μικρό παράδειγμα μικρού Μετεωρολογικού Πύργου στην αρχή του Ακτινομετρικού σταθμού του Εθνικού Αστεροσκοπείου Αθηνών ο οποίος φέρει ένα βασικό Μετεωρολογικό εξοπλισμό την κορυφή του. β) Δέσμια Αερόστατα Η περίπτωση των Δέσμιων Αεροστάτων έχει προκαλέσει το ενδιαφέρων στην επιστημονική κοινότητα την τελευταία 0ετία κυρίως λόγω της ανάπτυξης του εξοπλισμού τον οποίο μπορούν να φέρουν. Συγκεκριμένα ο εξοπλισμός αυτός μπορεί πλέων να συμπεριληφθεί σε ένα πολύ ελαφρύ πακέτο το οποίο μπορεί να πραγματοποιήσει μια σειρά μετεωρολογικών και άλλων παρατηρήσεων σχετικά με την ποιότητα του αέρα. Με τον τρόπο αυτό τα γιγαντιαία αερόστατα τα οποία χρησιμοποιούντο στο παρελθόν και των οποίων οι διαστάσεις σε ορισμένες περιπτώσεις έφτανε τα 1000m 3, έχουν περιοριστεί σε Αερόστατα των τεσσάρων και πέντε κυβικών, (βλέπε την φωτογραφία που αποτυπώνει ένα από αυτά), τα συστήματα μπορούν να καλύψουν το πρώτο χιλιόμετρο της ατμόσφαιρας και να δώσουν τις απαραίτητες μετρήσεις για πολλές περιπτώσεις περιβαλλοντικών προβλημάτων Προφανώς τα αερόστατα όσο γίνονται μικρότερα τόσο περιορίζεται και το μέγιστο ύψος λειτουργία του όπως επίσης και η λειτουργία τους κατά την διάρκεια δυσμενών μετεωρολογικών συνθηκών. Συγκεκριμένα για ταχύτητες ανέμου

3 ψηλότερες από 15m/sec, τα δέσμια αερόστατα μικρού και μεσαίου μεγέθους δεν μπορούν να λειτουργήσουν με επιτυχία και η εμβέλεια τους περιορίζεται σε λίγες εκατοντάδες μέτρα. γ) Ελεύθερα αερόστατα Για την περίπτωση των ελευθέρων αεροστάτων θα πρέπει κανείς να αναφερθεί στις δύο διακριτές περιπτώσεις εφαρμογών που έχουμε σήμερα. Συγκεκριμένα έχουμε την περίπτωση των Ραδιοβολίδων και την περίπτωση των τροχιοδεικτικών ελεύθερων αεροστάτων. Για την πρώτη περίπτωση είναι γνωστό ότι χρησιμοποιείται ένα μικρό αερόστατο το οποίο έχει όγκο ½ m 3 το οποίο μπορεί να μεταφέρει ένα πολύ ελαφρύ μετεωρολογικό πακέτο που πραγματοποιεί τις βασικές παρατηρήσεις. Tις βασικές παρατηρήσεις οι οποίες περιλαμβάνουν, την θερμοκρασία την πίεση, την υγρασία την διεύθυνση και ταχύτητα του ανέμου, σε διάφορα ύψη της Ατμόσφαιρας. Τα αερόστατα αυτά με ειδική προσαρμογή μπορούν να μεταφέρουν και ένα ελαφρύ πακέτο για την μέτρηση του όζοντος και αποκτούν με τον τρόπο αυτό την ονομασία οζοντοβολίδες. Ο συνδυασμός των μετρήσεων αυτών, δηλαδή των μετεωρολογικών και του όζοντος, αποτελούν βασικό εξοπλισμό για προγράμματα μελέτης της χαμηλής αλλά και της ανώτερης Ατμόσφαιρας. Είναι φανερό από τα όσα αναφέρθηκαν προηγουμένως σε σχέση μικρά αερόστατα, ότι υπάρχουν στην διεθνή πραγματικότητα μικρές παραλλαγές των αεροστάτων αυτών και προσθήκη στον εξοπλισμό τους προκειμένου να πραγματοποιήσουν και μετρήσεις σχετικές με την ποιότητα του αέρα. Μια τέτοια παραλλαγή αναφέρεται στην προσθήκη ειδικής αυτοματοποιημένης αντλίας η οποία δειγματοληπτεί σε συγκεκριμένα ύψη και τα δείγματα αναλύονται μετά την ανάκτηση του αεροστάτου. Μια άλλη παραλλαγή είναι και οι μετρήσεις του διοξειδίου του άνθρακος με την βοήθεια της υγρής μεθόδου η οποία χαρακτηρίζεται και για την ακρίβεια των παρατηρήσεων της αλλά και για το ελαφρύ βάρος της κατασκευής που απαιτείται για τον εξοπλισμό αυτό. (δ) Αεροσκάφη. Για την περίπτωση των αεροσκαφών θα πρέπει να σημειωθεί ότι και πάλι υπάρχει μια μεγάλη πληθώρα συστημάτων τα οποία ξεκινούν, από αυτοματοποιημένα (ρομποτικά ) μικρά αεροσκάφη τα οποία τηλεκατευθύνονται από το έδαφος μέχρι μεγάλα αεροσκάφη του τύπου C-130 Ηρακλής, και άλλα αεροσκάφη πιο σύγχρονης τεχνολογίας. Τα αεροσκάφη αυτά ανάλογα με το μέγεθος τους μπορούν να μεταφέρουν κάθε είδος εξοπλισμού(μετεωρολογικού ποιότητας αέρα ), ο οποίος καταγράφει επιτόπια τις όποιες παρατηρήσεις οι οποίες που αναφέρονται με την σειρά τους σε μεγάλα εξειδικευμένα ή σε επιχειρησιακά προγράμματα ερευνών Τέτοια αεροσκάφη δεν βρίσκονται σήμερα σε επιχειρησιακή λειτουργία στη χώρα μας, αλλά κατά την διάρκεια εξειδικευμένων προγραμμάτων προσκαλούνται από το εξωτερικό για να πραγματοποιήσουν εξειδικευμένες μετρήσεις. Ο εξοπλισμός ο οποίος μεταφέρεται όπως σημειώθηκε προηγουμένως δεν έχει κανένα περιορισμό εκτός από το βάρος, και την ενεργειακή του κατανάλωση. Συνεπώς οι πλατφόρμες αυτές μπορούν να χρησιμοποιηθούν με κάθε είδος οργάνου. Ένα τυπικό αεροσκάφος μέσου μεγέθους αποτυπώνεται στην φωτογραφία. ε) Πυραυλοβολήσεις.

4 Τα συστήματα των πυραυλοβολήσεων, (πύραυλοι) έχουν χρησιμοποιηθεί κυρίως στο παρελθόν από επιστήμονες οι οποίοι αποσκοπούσαν στην μελέτη της ανώτερης ατμόσφαιρας. Μικροί ή μεγάλοι πύραυλοι μετέφεραν σε πολύ μεγάλα ύψη και σε συγκεκριμένες θέσεις στο χώρο, εξειδικευμένο εξοπλισμό του οποίου στόχος ήταν η πραγματοποίηση τόσο μετεωρολογικών όσο και άλλων μετρήσεων ποιότητας του αέρα. Ο εξοπλισμός αυτός στη συνέχεια με την βοήθεια αλεξιπτώτου επέστρεφε στη γη πραγματοποιώντας συγκεκριμένες παρατηρήσεις των οποίων τα δεδομένα είτε καταγράφοντο τοπικά είτε εκπέμποντο σε σταθμό εδάφους. Πρέπει να σημειωθεί ότι τα αποτελέσματα των Ραδιοβολίσεων για πολλά χρόνια στο παρελθόν αποτέλεσαν την βάση για πάρα πολλές μελέτες οι οποίες δώσανε και το πρώτο φως σε σχέση με την κατάσταση στην στρατόσφαιρα και γενικότερα στην ανώτερη ατμόσφαιρα.. Από Απόσταση,(remote) H από απόσταση μέθοδος ουσιαστικά καλύπτεται από τους διαφορετικούς τύπους Radar's που υπάρχουν διαθέσιμα σήμερα στο χώρο. Οι τύποι των Radars καλύπτουν τους ηλεκτρομαγνητικούς, τους ηχητικούς και τους οπτικούς τύπους. Kαι για τις τρεις αυτές περιπτώσεις, όπως γίνεται κατανοητό, ισχύει το ίδιο μαθηματικό υπόβαθρο και η γενικευμένη εξίσωση του Radar για την οποία θα γίνει εκτενείς αναφορά στην συνέχεια. Μια δεύτερη περίπτωση οργάνων που πραγματοποιούν μετρήσεις από απόσταση είναι τα Ραδιόμετρα. Τα Ραδιόμετρα κύρια παθητικού τύπου, αναφέρονται σε μετρήσεις ακτινοβολιών ή και για ορισμένες περιπτώσεις μετρήσεις με την βοήθεια παθητικών μικροκυματικών δεκτών. Τέλος μια ακόμη περίπτωση από απόσταση μετρήσεων είναι αυτή των Δορυφόρων. Οι Δορυφόροι βεβαίως μπορούν να θεωρηθούν πλατφόρμες επάνω στις οποίες μπορεί να τοποθετηθεί εξοπλισμό που πραγματοποιεί μετρήσεις από απόσταση και επιτόπιες. Εν τούτοις επικρατούν όπως γίνεται κατανοητό οι μετρήσεις από απόσταση, γι αυτό και η περίπτωση των δορυφόρων έχει χαρακτηριστεί στις παρούσες σημειώσεις σαν από απόσταση μέθοδος πραγματοποίησης μετρήσεων...1 Γενικές Αρχές Λειτουργίας των radars Εισαγωγή Τα συστήματα των Radar s ξεκίνησαν με την ανάπτυξη των ηλεκτρομαγνητικού Radar η οποία πήρε τεράστιες διαστάσεις κατά την διάρκεια του Β Παγκοσμίου πολέμου. Για την περίπτωση των Radar s εκπέμπεται ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία επιλεγμένη συχνότητα και λαμβάνεται από ειδικά διαμορφωμένο δέκτη το σήμα που επιστρέφει και που είναι αποτέλεσμα αντανάκλασης, σκέδασης, ή και συνδυασμού των δυο προηγουμένων διαδικασιών. Βεβαίως για την περίπτωση της ανάκλασης θα πρέπει να αναφερθεί ότι το σήμα είναι πολύ ισχυρό ενώ για την περίπτωση της σκέδασης το σήμα είναι σχετικά αδύνατο και επομένως ο δέκτης είναι όλα τα χαρακτηριστικά τουradar θα πρέπει να είναι κατάλληλα επιλεγμένα. Για την περίπτωση των ηλεκτρονικών Radar s διακρίνει κανείς δύο περιπτώσεις εφαρμογών: α) Για πολιτικούς και επιστημονικούς σκοπούς β) Για στρατιωτικούς σκοπούς

5 Όπως γίνετε προφανές στις σημειώσεις αυτές θα αναφερθούμε για τους πολιτικούς και τους επιστημονικούς κύρια σκοπούς οι οποίοι καλύπτονται βεβαίως και από την Διεθνή Βιβλιογραφία. Η εξίσωση του Radar O R O' P t 1 4R PRO' Pt (1) 1 (4R PRO Pt () ) 1 Pt S (4R ) (3) P RO. 1 Pt S.A.G (4R) (4) P RO. G A 4 (5) PRO P t.s.g. 3 4 (4) R (6) H εξασθένηση κατά την διάδοση στην ατμόσφαιρα μπορεί να γραφτεί : O' ( R)dR (7) O όπου οο είναι η διαδρομή R και γ για μια συνάρτηση της συχνότητας λειτουργίας του συστήματος Στην περίπτωση της ατμόσφαιρας το S αντικαθίσταται από μια συνάρτηση που εμπεριέχει, το είδος και τις φυσικές ιδιότητες του σκεδαστή (β). Μπορεί να γραφτεί δε ως σ(θ,β) αφού εξαρτάται επίσης από την γωνία σκέδασης Τότε η εξίσωση του Radar γράφεται:

6 P t. (, ).G. PRO (8) 3 4 (4) R Η χωρική διευκρινιστική ικανότητα (Sr) δίνεται από τη σχέση : c S (9) Τέλος η ισχύς Pt που είναι η μέση μπορεί να γραφτεί ως εξής: Pp Pt t όπου Pp ιη ισχύς κορυφής της εκπομπής, τ η διάρκεια του παλμού και t η περίοδος εκπομπής. Ο συνδυασμός της (7),(8) και (10) μας δίνουν την τελική σχέση η οποία όταν διερευνηθεί οδηγεί στην άριστη λειτουργία ενός συστήματος Radar για πολλές εφαρμογές. P RO R P p.. (, ).G. (R).dR 3 4 (4) R t (11) 0 (10) Η σχέση αυτή θα πρέπει να διερευνηθεί από τον φοιτητή προκειμένου να αποφασιστεί ποια είναι η διάρκεια του παλμού σε σχέση με την εκπομπή και σε σχέση με την περίοδο εκπομπής και τα χαρακτηριστικά της κεραίας ώστε να καταστεί δυνατός ο διαχωρισμός διαδοχικών εμποδίων και η ανίχνευση σε μεγάλες αποστάσεις. Τύποι Radar s Hλεκτρομαγνητικά Radar s Όπως αναφέρθηκε και προηγουμένως τα ηλεκτρομαγνητικά Radar s ήταν τα πρώτα συστήματα τα οποία αναπτύχθηκαν στο χώρο κύρια κατά την διάρκεια του Β Παγκοσμίου πολέμου. Τα Radar s αυτά είναι εξοπλισμένα σήμερα με συστήματα «Dobler» επομένως μπορούν να ανιχνεύσουν τις μετακινήσεις όλων των αντικειμένων που εμπίπτουν στην ικανότητα τους για ανίχνευση. Εκτός από αντικείμενα (στερεά υγρά ή κάτι πλησίον σε αυτές τις μορφές) τα ηλεκτρομαγνητικά Radar s μπορούν να ανιχνεύσουν και μεταβολές της υγρασίας και επομένως υψηλές συγκεντρώσεις Aerosol άλλων σωματιδίων. Τα Radars επομένως χρησιμοποιούνται σήμερα τόσο για στρατιωτικούς σκοπούς όσο και για πολιτικούς, επιστημονικούς σκοπούς και για την Περίπτωση του αντικειμένου που ενδιαφέρει του Φυσικού περιβάλλοντος μπορούν να αξιοποιηθούν για την μελέτη συστημάτων καιρού, παρατήρηση νεφών, καταιγίδων και άλλων καιρικών φαινομένων. Έχουμε δε κάτω από συγκεκριμένο αριθμό λειτουργίας την ικανότητα να ανιχνεύσουν και μικρομεταβολές του ηλεκρτομαγνητικού δείκτη διάπλασης και επομένως μέσω από αυτού να δούν μεταβολές της τιλβις στοιχείο που τα καθιστά ικανά να βοηθήσουν στην αποτύπωση των επιπέδων τιλβις σε διάφορα ύψη στην ατμόσφαιρα. Τα Radar s αυτά σήμερα βρίσκονται σε εκτενή εφαρμογή και το κόστος τους μπορεί να ανέλθει

7 στο ύψος των Ευρώ το οποίο περιλαμβάνει όλα τα περιφερειακά του συστήματα, ηλεκτρονικούς υπολογιστές και άλλα συστήματα καταγραφής και αποτύπωσης των σημάτων τους. Ηχητικά Radars Tα συστήματα αυτά ακολουθούν όπως όλα τα Radar s την ίδια εξίσωση και επομένως υπακούουν στους ίδιους ρυθμούς λειτουργίας. Η μόνη διαφορά είναι για την περίπτωση των ηχητικών Radar s εκπέμπεται και λαμβάνεται ήχος ο οποίος όπως είναι γνωστό διαδίδεται πολύ αργά, σε σχέση με την ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία, και επομένως αλληλεπιδρά με την ατμόσφαιρα με ένα πολύ αποτελεσματικό τρόπο. Ο ηχητικός δείκτης διάπλασης τα καθιστά ικανά να ανιχνεύσουν μεταβολές της θερμοκρασίας και μέσα στην περιοχή λειτουργίας τους να δούν επομένως αναστροφές λειτουργίας της θερμοκρασίας και μικρές ανοδικές κινήσεις και άλλες θερμικές καταστάσεις ιδιαίτερα της χαμηλής τροπόσφαιρας. Στην περίπτωση αυτή η εμβέλειας τους περιορίζεται στα με /5 χλμ λόγω της υψηλής εξασθένησης του ήχου κατά την διάδοση του στην ατμόσφαιρα. Τα Radar s αυτά χρησιμοποιούνται σήμερα κύρια για περιβαλλοντικές εφαρμογές και πιο πρόσφατα αναδεικνύονται για την χρησιμοποίηση τους σε Αεροδρόμια για την ασφάλεια της αεροπλοΐας αφού βέβαια είναι εξοπλισμένα με συστήματα Dabbler μέσω των οποίων μπορούν να ανιχνεύσουν και να καταγράψουν με εξαιρετική ακρίβεια τις τρεις συνιστώσες του ανέμου και τις μεταβολές τους. Το κόστος των συστημάτων αυτών κυμαίνεται μεταξύ και για ένα σχετικά συμβατικό τύπο ο οποίος κυκλοφορεί στο ελεύθερο εμπόριο. Οπτικά Radars Laser Radars. Τα συστήματα αυτά παρά το γεγονός ότι έχουν εξαντλητικά ερευνηθεί και αναπτυχθεί από πολλές επιστημονικές ομάδες δεν κατάφεραν μέχρι σήμερα σε επιχειρησιακή λειτουργία για καμία περίπτωση εφαρμογής. Χρησιμοποιούνται όμως εκτενώς από ερευνητικές ομάδες προκειμένου να αποτυπώσουν μέσω του οπτικού δείκτη διάπλασης της μεταβολές της θερμοκρασίας και ότι αυτό συνεπάγεται, (βλέπε προηγούμενη παράγραφο), και σε άλλες περιπτώσεις παρατηρήσεις κύρια των Aerosols στη χαμηλή τροπόσφαιρα. Η εμβέλεια τους είναι ανάλογη με αυτή των ηχητικών Radar s και σε ορισμένες περιπτώσεις μπορεί να την ξεπεράσει εάν αυτό βέβαια επιτραπεί από την ισχύ του συστήματος laser. Το κόστος του είναι εξαιρετικά υψηλό και σε πολλές περιπτώσεις ανταγωνίζεται αυτό των ηλεκτρομαγνητικό Radar s, στοιχείο το οποίο τα καθιστά απαγορευτικά για πολλές περιπτώσεις εφαρμογών, ιδιαίτερα εν όψη του γεγονότος ότι μέχρι σήμερα δεν έχουν εγκριθεί να λειτουργούν για καμία επιχειρησιακή εφαρμογή στο χώρο του περιβάλλοντος. Και για την περίπτωση αυτή όπως γίνεται κατανοητό ισχύ το ίδιο θεωρητικό υπόβαθρο με αυτό των άλλων συστημάτων Radar s που αναφέρθηκαν προηγουμένως.