Kojemeteorologia Sami Haapanala syksy 2013 Fysiikan laitos, Ilmakehätieteiden osasto
Yläilmakehän luotaukset Synoptiset säähavainnot antavat tietoa meteorologisista parametrestä vain maan pinnalla Ilmakehän kolmiulotteisen rakenteen tunteminen on tärkeää ilmakehän käyttäytymisen ymmärtämiseksi Lämpötilan, kosteuden ja tuulen pystyprofiilit ovat tärkeitä syöttötietoja numeerisille sääennustemalleille
Yläilmakehän luotaukset Ylemmästä ilmakehästä saadaan suoraa mittaustietoa radioluotauksilla Radioluotain on mittalaitepaketti, joka nousee yleensä stratosfääriin asti vety-tai heliumpalloon kiinnitettynä Luotain voidaan myös ampua raketilla tai pudottaa lentokoneesta
Radioluotain Radioluotaimet mittaavat lämpötilaa kosteutta ilmanpainetta Lisäksi voidaan käyttää erikoisluotaimia, joissa on otsonin, radioaktiivisuuden jne. mittaus Mittaustiedot lähetetään maaasemalle radiolähettimellä Luotaimen kulloinenkin korkeus saadaan laskettua hydrostatiikan tilanyhtälön avulla käyttäen paine-, lämpötila- ja kosteushavaintoja
Pallon nousunopeus Koska kaasu pallossa laajenee paineen laskiessa, täytyy nousunopeutta laskettaessa eri korkeuksilla huomioida sekä ilman että täytteenä olevan kaasun tiheyden lasku sekä pallon halkaisijan muutos Pallossa olevan kaasun tiheys on suoraan verrannollinen ilman tiheyteen ja pallon tilavuus käänteisesti verrannollinen ilman tiheyteen. Tästä saadaan kaasu D z z D kaasu 0 0 ilma ilma ilma ilma 1 3 0 z z 0
Pallon nousunopeus Palloon kohdistuvat pystysuuntaiset voimat ovat nostevoima F n, painovoima F g ja ilmanvastus F d 3 Fn D ilma kaasu g 6 F m m g g pallo luotain F C Aw 1 2 d 2 D P Pallon nousunopeus saadaan olettamalla stationaarinen tilanne eli F n +F g +F d =0. Nousunopeudeksi saadaan: w P D 3 g 6 m m g 2 ilma kaasu C D D 2 8 pallo luotain 1
Pallon nousunopeus Laskemalla edellä mainituilla kaavoilla ja käyttäen standardiilmakehän tiheysjakaumaa saadaan vetytäytteiselle pallolle, jonka tilavuus on maanpinnalla 1 m 3 ja paino 100 g oheinen nousunopeusprofiili. Nousunopeus siis kasvaa pallon noustessa ilmakehässä ylemmäs. Pallon läpimitta myös kasvaa kunnes pallo puhkeaa.
Ylätuulet Tuulen nopeus ja suunta ylemmissä ilmakerroksissa saadaan määritettyä seuraamalla pallon liikettä Palloa voidaan seurata visuaalisesti optisella teodoliitillä radioteodoliitillä tutkalla paikannusjärjestelmällä (GPS, Loran-C)
Tuulen mittaaminen Voima, jonka tuuli kohdistaa palloon voidaan kirjoittaa F V t P mpl CD missä V P on pallon nopeus ja V tuulen nopeus Olettamalla että pallon nopeus on lähellä tuulen nopeutta saadaan missä aikavakio V 2 A V VP VP mpl CDAV V VP VP V t t mpl C AV Koska luotauspallon massa on hyvin pieni ja D poikkipinta-ala suuri, seuraa se tarkasti ilman liikkeitä P
Pilot-pallo Pilot-pallo on luotaimeton pallo, jonka avulla voidaan määrittää vain tuulen pystyprofiili Pallo täytetään tunnetulla määrällä vetyä tai heliumia, käyttäen punnuksia nosteen määrittämiseen Kun pallon noste sekä itse pallon paino ja kaasun tiheys tunnetaan, saadaan laskettua pallon läpimitta Korkeus maanpinnasta määritetään integroimalla nousunopeutta punnus
Tuulen mittaminen pilot-pallolla Liikkeelle laskettua palloa seurataan optisella teodoliitilla, P säännöllisin väliajoin luetaan korkeuskulma ja atsimuuttikulma Pallon paikkakoordinaatit määritetään mitattujen kulmien ja pallon korkeuden avulla Perättäisten paikkakoordinaattien ja aikavälin avulla saadaan tuulen nopeus ja suunta ko. korkeudella z R pallo S maan pinta y S x I
Tuulen mittaaminen P z PALLO y PALLO R S I x S maan pinta Oheisten kuvien perusteella voidaan kirjoittaa yhtälöryhmä x y z S S sin S cos R sin R cos
Tuulen mittaaminen P y S PALLO x Kun pallon korkeus maan pinnasta tunnetaan, saadaan I yhtälöryhmä supistettua kahteen yhtälöön, joissa kummassakin on vain yksi tuntematon x y z cot sin z cot cos z R PALLO S maan pinta Kulmat siis mitataan teodoliitillä ja korkeus saadaan joko luotaimen lähettämistä paine-, lämpötila- ja kosteusdatoista käyttäen hydrostatiikan yhtälöä, tai vaihtoehtoisesti arvioitua pallon nousunopeudesta
Luotauspallon nopeus saadaan siis yhtälöistä Tuulen mittaaminen 1 1 1 1 n n n n n n n n t t y y t y v t t x x t x u
Radioluotain Luotaimella varustetut pallot lähettävät tietoa, josta pallon korkeus voidaan laskea Luotaimen paikka voidaan havaita optisen teodoliitin lisäksi Radioteodoliitilla, jolla havaitaan mistä suunnasta luotaimen lähettämä radiosignaali tulee Navigointijärjestelmällä (GPS, Loran-C)
Radioluotain Radioluotaimessa olevat lämpötila-, kosteus- ja paineanturit on kalibroitu tehtaalla Jokaisen radioluotaimen mukana seuraavat tehdaskalibroinnista saadut kalibrointikertoimet esimerkiksi reikänauhalla tai luotaimen sisäisellä muistipiirillä Ennen luotausta tehdään vielä ns. maakalibrointi, jossa mittareita verrataan tunnettuihin standardeihin ja tehdaskalibroinnin jälkeen tapahtunut kalibroinnin ryömintä saadaan korjattua
Radioluotain Maakalibroinnin jälkeen pallo lähetetään matkaan Luotaimen radiolla lähettämää dataa vastaanotetaan ja tallennetaan tietokoneen kovalevylle Aiemmin data lähetettiin taajuusmoduloituna analogiadatana, nykyisin digitaalisessa muodossa Vastaanotin
Radioluotaus Lopputuloksena on luotaus, joka esittää ilman lämpötilaa, kosteutta sekä tuulen suuntaa ja nopeutta maanpinnalta stratosfääriin asti