رادیوسوند

رادیوسوند (به انگلیسی: Radio sonde)‏ از ابزارهای مهم اندازه‌گیری برای اندازه گیری دما، رطوبت، فشار، سمت و سرعت باد در جو بالا است. این ابزار اندازه‌گیری توسط بالون‌های هواشناسی به اعماق جوّ ارسال شده و وظیفه دیده‌بانی از سطوح فوقانی جوّ را انجام می‌دهد. رادیوسوند یک سیستم سنجش از راه دور است (منظور یک سامانه Telemetry می‌باشد و نه یک سامانه Remote Sensing) و از دو لغت "Radio" به معنای انتشار دهنده رادیویی و "Sonde" به معنی پیام آور در زبان انگلیسی قدیم، تشکیل شده‌است.

پیشینه

دیده بانی از لایه های بالایی جوّ گذشته‌ای طولانی دارد و به نیمه دوم قرن ۱۸ میلادی و سال ۱۷۴۹ در اروپا بازمی گردد که دماسنجی توسط بادبادک به سوی آسمان فرستاده می‌شد. بعدها با پیشرفت بالون‌های هوای داغ در فرانسه و در سال‌های آغازین دهه ۸۰ قرن هیجدهم دانشمندان هواشناس به همراه ادوات هواشناسی مانند فشارسنج و دماسنج و غیره، خود راهی اقیانوس جوّ فوقانی می‌شدند تا شخصاً کار اندازه‌گیری پارامترهای جوّ فوقانی را انجام داده و همچنین ساختار و شیمی جوّ فوقانی را مورد بررسی قراردهند. کار سفر انسان توسط بالون به منظور بررسی و تحقیق پیرامون سطوح فوقانی جوّ تا اوایل دهه ۱۹۶۰ میلادی ادامه داشت. البته این کار برای کسانی که به آن دست می‌زدند مخاطراتی نیز به دنبال داشت. به طوری‌که برای نمونه در سال ۱۸۶۲ میلادی دو مرد بر فراز بریتانیا و در ارتفاع ۱۱ کیلومتری به سبب سرمای بیش از حدّ و کمبود اکسیژن در آستانه مرگ قرار می‌گیرند. همچنین در پرواز بالون دیگری از این نوع و در سال ۱۸۷۵ دو نفر فرانسوی بر اثر نداشتن وسایل تنفسی کافی جان می‌دهند. در همین بین به کارگیری از بادبادک نیز ادامه داشت، به طوریکه در انتهای قرن نوزدهم میلادی در کشور ایالات متحده امریکا و دیگر کشورها ایستگاه‌هایی برای دیده بانی جوّ بالا تأسیس شده بودند که بادبادک در آنها وسیله حمل تجهیزات اندازه‌گیری بود. در آن زمان بادبادک‌ها یک وسیله اندازه‌گیری تحت عنوان Meteograph را حمل می‌کردند که قادر بود پارامترهای دما، فشار جوّ و درصد رطوبت نسبی را اندازه‌گیری نموده و بر روی کاغذی به شکل نمودارهای تغییرات هر یک از پارامترهای یاد شده آنها را ثبت نماید. به کارگیری بادبادک نیز معایبی داشت. نخست آنکه سقف پرواز آن به طور متوسط ۳ کیلومتر بود. دوم آنکه امکان ملاحظه بلادرنگ داده‌های اندازه‌گیری شده تا هنگام پایین آوردن بادبادک و خواندن اطلاعات ثبت شده بر روی Meteograph وجود نداشت. سوم اینکه فرستادن بادبادک در هوایی طوفانی امکان پذیر نبود و سرعت باد در انجام شدن این کار بسیار مهم و مؤثر بود. چهارم آنکه با توجّه به وزن Meteograph و احتمال در هم شکستن بادبادک، خطر آسیب رساندن به انسان و دیگر موجودات زنده در هنگام سقوط وجود داشت.

شکل ۱:ارسال دستگاه METEOGRAPH توسط بادبادک جهت کار دیده بانی جوّ بالا در دهه ۱۹۲۰ میلادی

به کارگیری از Meteograph به حدّی توسعه یافت که امکان رسیدن آن به لایه استراتوسفر جوّ یا رسیدن به سقف پرواز بالاتر از ۲۰ کیلومتر نیز به وجود آورده شد. ولی در اینجا نیز هنوز مشکل بلادرنگ نبودن داده‌های ثبت شده وجود داشت. این بار مشکل مزبور بیشتر از گذشته به چشم می‌آمد. زیرا با بالاتر رفتن سقف پرواز، برد حرکت نیز افزایش یافته بود و در بیشتر مواقع پس از سقوط به زمین برای یافتن Meteograph روزها و گاهی هفته‌ها وقت لازم بود. یک راه چاره برای این مشکل مهار نمودن بالون در فضا بود که این هم موجب کاهش ارتفاع صعود می‌گردید.

با اختراع هواپیما در آغاز قرن بیستم حمل Meteograph توسط هواپیما ممکن شد. به طوریکه از سال ۱۹۲۵ تا اوایل دهه ۱۹۴۰ میلادی تنها در ایالات متحده امریکا ۲۰ ایستگاه هواشناسی وجود داشت که برای دیده‌بانی از سطوح فوقانی جوّ، مجهز به هواپیما بودند. البته سقف پرواز این هواپیماها به ۵ کیلومتر می‌رسید. نا کارآمدی بادبادک و هواپیما برای رساندن داده‌های اندازه‌گیری شده به صورت بلادرنگ، به توسعه روش ارسال رادیویی داده‌ها سرعت بخشید. به طوریکه در سالهای آغازین دهه ۱۹۲۰ میلادی دانشمندان کار ارسالآزمایشی فرستنده‌های رادیویی را توسط بالون‌های هواشناسی به هدف بررسی کیفیت دریافت امواج رادیویی در شرایط مزبور آغاز نمودند. به طوریکه در اوایل دهه ۱۹۳۰ میلادی نخستین Meteograph رادیویی به درون اقیانوس جوّ گسیل شد. ساخت آن بر مبنای اسناد موجود توسط یک دانشمند هواشناس روس به نام پاول مولچانف (Pavel Molchanov)انجام شده‌است. وی در ۳۰ ژانویه سال ۱۹۳۱ میلادی موفق می‌شود تا اختراع خود را با نام ۲۷۱۱۲۰ در ساعت ۱۳ و ۴۴ دقیقه از پاولوسک و توسط بالون هواشناسی به سوی اقیانوس جوّ گسیل دارد. این وسیله تا ارتفاع ۸/۷ کیلومتری بالا رفته و دما را در این ارتفاع چهل ممیز هفت درجه سلسیوس زیر صفر اندازه‌گیری می‌نماید. به این ترتیب ۳۲ دقیقه پس از گسیل این رادیوسوند به درون سطوح فوقانی جوّ، نخستین پیام هواشناسی ارسال شده از این رادیوسوند توسط اداره هواشناسی لنینگراد و مؤسسه مرکزی پیش بینی هواشناسی مسکو دریافت می‌شود.

• 

  شکل ۲: فرستادن بادبادک حامل دستگاه METEOGRAPH در یک ایستگاه جوّ بالای در ایالت نبراسکا در ایالات متحده امریکاجهت کار دیده بانی جوّ بالا در سال ۱۹۱۷ میلادی

• 

  شکل ۳:یک دستگاه Meteograph مربوط به سال ۱۹۱۲ میلادی

• 

  شکل ۴:چشم انداز فرستادن بادبادک جعبه ای حامل یک دستگاه Meteograph در یکی از ایستگاه های هواشناسی در ایالات متحده امریکا مربوط به سال ۱۹۱۲ میلادی

پیشینه‌ای کوتاه درباره دیده بانی جوّ بالا در ایران

بر پایه اسناد موجود در سازمان هواشناسی کشور ایران مشخص است که ایستگاه هواشناسی مهرآباد تهران در اوایل سال ۱۳۳۵ هجری شمسی مجهز به یک ایستگاه جوّ بالای رادیوسوند بوده‌است. تا سال ۱۳۳۸ هجری شمسی با تأسیس سامانه جوّ بالا در کرمان تعداد ایستگاه‌های رادیوسوند به دو عدد افزایش می‌یابد. قدیمی‌ترین سوابق دوره‌های آموزشی کار با رادیوسوند برای ایرانیان به استناد تصاویر موجود در مجله وایسالا نیوز (Vaisala News) که متعلق به شرکت وایسالا یعنی یکی از قدیمی‌ترین و بزرگترین سازندگان رادیوسوند در جهان، به زمستان سال ۱۹۵۵ یا اواخر سال ۱۳۳۳ هجری شمسی باز می‌گردد. تا سال ۲۰۰۵ میلادی (۱۳۸۴) سازمان هواشناسی کشور ایران مجهز به ۱۵ ایستگاه جوّ بالای رادیوسوند بوده‌است. این استگاه‌ها در شهرهای تهران (مهرآباد تهران)، اصفهان، شیراز، کرمان، مشهد، کرمانشاه، تبریز، رشت، گرگان، بیرجند، زاهدان، یزد، بوشهر، اهواز و بندرعباس قرار دارند که پوشش نسبتاً کاملی را برای دیده بانی از سطوح فوقانی جوّ بر بالای کشور ایران به وجود می‌آورند. در ايستگاه جوّ بالاي اصفهان كار ارسال ازن سوند نيز براي اندازه گيري ازن سطوح فوقاني انجام مي شود.

• 

  شکل ۵:اتاق گاز یا GAS FILLING ROOM در ایستگاه مهرآباد تهران

• 

  شکل ۶:حضور آقای نوشین از هواشناسی ایران در نخستین دوره‌های آموزشی برگزار شده توسط شرکت وایسالا در کشور فنلاند و در زمستان سال ۱۹۵۵

• 

  شکل ۷:حضور آقای نوربخش از هواشناسی ایران در دوره‌ای آموزشی در شرکت وایسالا در فنلاند و در سال ۱۹۶۰ میلادی

استفاده از حسگرهای ویژه بر روی رادیوسوند

امکان اتصال حسگرهای غلظت گاز ازن (Ozon Sonde) و تابش‌های رادیواکتیو (Radioactive Sensor) نیز به این دستگاه وجود داشته و کار اندازه‌گیری پارامترهای مزبور را در جوّ فوقانی به انجام می‌رساند.

حسگرازن Ozone Sonde

همانطورکه پیش از این گفته شد در ایستگاه هواشناسی اصفهان کار اندازه گیری و مراقبت ازن با فرستادن دستگاه ازن سوند انجام می شود. این ازن سوند از نوع ECC-6A می باشد.در نام این ازن سوند نشانه های ECC اشاره به نوعی ازن سوند با سلول الکتروشیمیایی را دارند. در واقع نشانه E واژه Electrochemical را نشان می دهد و نشانهC پس از آن اشاره به واژه Concentration یا غلظت داشته و نشانه C پایانی نشانگر کلمه Cell یا سلول است. این حسگر دارای یک سلول حاوی محلولی از یدور پتاسیم با غلظت معین است. درون سلول الکترودهایی از جنس پلاتین قرارداده شده که دو عدد کاتد و یک آند از آنها تشکیل می گردد. محفظه این سلول از جنس تفلن بوده به دو بخش تقسیم شده که یک بخش آن حاوی آند و بخش دیگر حاوی کاتد است. محلول یدور پتاسیم با غلظت های متفاوت در هر یک از بخش ها وجود دارد. سلول کاتد حاوی 3 میلی لیتر محلول رقیق یدور پتاسیم KI و سلول آند حاوی 1.5 میلی لیتر از محلول یدور پتاسیم اشباع شده می باشد.این دو بخش به وسیله دیواره ای که میان آنها قرار داده شده و تنها اجازه گذشتن یون ها را می دهد، از یکدیگر جدا شده اند. دیواره مزبور از آمیخته شدن محلول هر بخش با بخش دیگر جلوگیری به عمل می آورد. به این ترتیب غلظت محلول های دو بخش آند و کاتد یکسان نخواهد شد. به این سبب یک اختلاف پتانسیل الکتریکی میان آند و کاتد به وجود می آید. به این ترتیب خروجی این حسگر یک ولتاژ الکتریکی خواهد بود. بخش کاتد توسط لوله باریکی به هوای بیرون راه دارد. هوای بیرون توسط یک پمپ الکتریکی کوچک از جنس تفلن به درون این لوله مکیده می شود. ازن موجود در هوای مکیده شدن منجر به بروز واکنش شیمیایی روی محلول درون سلول کاتد و آزاد شدن ید خواهد شد.این واکنش میان ازن و محلول موجب تغییر اختلاف پتانسیل میان آند و کاتد خواهد شد، به طوریکه اگر آند و کاتد توسط یک مقاومت الکتریکی به یکدیگر متصل شده باشند جریان عبوری از مقاومت مزبور تغییر می نماید. عبور جریان از این مدار که از درون سلول نیز می گذرد منجر به بازگشت مجدد ید بوجود آمده به یون یدید یا یدور می گردد. به طور نظری شدت جریان عبور کرده از سلول با مقدار ازن وارد شده به سلول کاتد متناسب می باشد به طوریکه به ازای هر مولکول گاز ازن باید 2 الکترون ایجاد شود. با اندازه گیری این جریان و تغییرات آن و روابط ریاضی حاکم بر مقدار ازن و دیگر پارامترها مقدار فشار جزئی ازن در جو را می توان از رابطه زیر به دست آورد.

• 

  شکل ۸: رابطه فشار جزئی گاز ازن در ازن سوند نوع ECC

• 

  شکل ۹ : طرحواره ازن سوند نوع ECC

بخش‌های تشکیل دهنده یک رادیوسوند

از لحاظ ساختاری می‌توان دستگاه رادیوسوند را متشکل از پنج بخش اصلی دانست. ۱-فرستنده‌رادیویی ۲- حسگرها ۳- مدارهای الکترونیکی واسط میان فرستنده و حسگرها.۵- یک سامانه کمک ناوبری مانند گیرندهGPS یا گیرندهLORAN-C.

• 

  شکل ۱۰: بخش‌های گوناگون یک دستگاه رادیوسوند دیجیتال

• 

  شکل ۱۱:طرحواره یک رادیوسوند آنالوگ مجهز بهGPS

حسگرها

هر یک از حسگرها پارامتر مربوط به خود را اندازه‌گیری نموده و توسط مدارهای واسط و بر پایه یکی از روش‌های مدولاسیون آنرا به فرستنده رادیویی تحویل می‌دهد. حسگرها معمولاً از خازن یا مقاومت ساخته می شوند. در مورد حسگر نم سنج (رطوبت سنج) به ویژه به کارگیری از خازنی که ظرفیت آن تابع مقدار نم باشد، بسیار رایج است. حسگر سنجش فشار هوا نیز امروزه خازنی است که ظرفیت آن دگرگونی فشار هوا را دنبال می نماید. حسگر دما از هر دو عنصر خازن یا مقاومت ساخته می شود. از سال ۲۰۰۵ ميلادي برخي از سازندگان مطرح راديوسوند در جهان با حذف حسگر اندازه گيري فشار جوّ، سبب كاهش چشمگيري در بهاي تمام شده راديوسوند شدند. اين سازندگان به جاي اندازه گيري فشار جوّ، ارتفاع را به كمك يك گيرنده جي پي اس كه درون راديوسوند تعبيه مي شودمتناظر با ارتفاع اندازه گيري شده را محاسبه مي نمايند. در آزمايشاتي كه جهت مقايسه كيفيت فشار محاسبه شده در اين راديوسوند و فشار اندازه گيري شده توسط راديوسوندهاي كارخانه هاي ديگر زير نظارت سازمان هواشناسي جهاني در سال ۲۰۰۵ ميلادي و در جزيره موريس به عمل آمد، مشخص گرديد كه دقّت اين روش به مقدار كافي بالا بوده و در لايه هاي بالاي جوّ و در فشارهاي پايين حتّي از روش اندازه گيري مستقيم نيز به مراتب بهتر است. به اين ترتيب سازمان هواشناسي جهاني WMO به طور رسمي اعلام نمود كه از اين پس براي اندازه گيري فشار هوا هيچ لزومي به استفاده از حسگر فشار در راديوسوند نخواهد بود.

فرستنده رادیویی

فرستنده نیز اطلاعات مزبور را بر روی امواج رادیویی سوار نموده (مدوله می‌کند) تا گیرنده رادیویی زمینی موجود در ایستگاه که بر روی همان فرکانس رادیوسوند تنظیم شده بتواند آنها را دریافت نماید. فرستنده رادیویی بکار برده شده در گذشته بر روی امواج کوتاه رادیویی کار می کرد و از یک نوسان ساز ساده مجهز به لامپ خلاء تشکیل می شد. درباره مدولاسیون این فرستده ها می توان گفت که به نوعی اطلاعات به صورت مدولاسیون فرکانس یا FM بر روی آن سوار می شد. قدرت پخش این فرستنده امروزه از 50 تا 200 میلی وات می باشد. فرستنده های رادیوسوند نزدیک به ۴۰ سال است که از محدوده UHFو در بسامد نامی ۴۰۳ مگاهرتز استفاده می کنند. البته یک بسامد دیگر نیز در همین محدوده برای رادیوسوندهایی که جهت کار با رادیوتئودولایت ساخته می شوند، به کار برده می شود که به بسامد ۱۶۰۰مگاهرتز شناخته می شود. در واقع فرستنده رادیوسوندها می تواند از ۴۰۰ تا ۴۰۶ مگاهرتز یا از ۱۶۰۰ تا ۱۷۰۰ مگاهرتز قابل تنظیم می باشد. در ضمن برای سوار کردن اطلاعات روی این فرستنده از مدولاسیون FM معمولی و برخی مدولاسیون های دیجیتال به ویژه در رادیوسوندهای نوع دیجیتال استفاده می گردد.

مدارهای واسط

این مدارها که امروزه به صورت مدارهای الکترونیکی می‌باشند، پارامترهای اصلی حسگرها (مانند تغییرات مقاومت یا ظرفیت خازنی) را دریافت نموده و آنها را به صورت علائم قابل سوار کردن بر روی فرستنده رادیویی تبدیل می‌نمایند. در گذشته در سال های آغازین رادیوسوند هیچ مدار واسط یا میانجی نداشت و فرکانس رادیویی بخش فرستنده تحت تأثیر حسگرها تغییر می کرد. این تغییرات فرکانس پس از دریافت در گیرنده زمینی برای محاسبه هر یک از پارامترهای اندازه گیری شده به کار برده می شد. در نسل های بعدی رادیوسوندها که تقریباً از 40 سال پیش تا آخرین نسل رادیوسوندهای آنالوگ را در بر می گیرد، از نوسان سازی با فرکانس‌های صوتی استفاده به عمل می آمد. بسامد این نوسان ساز به حسگرها وابسته بود. در واقع حسگرها به طور معمول از جنس خازن یا مقاومت الکتریکی بودند که می توانستند به عنوان عناصر کلیدی یک نوسان ساز به کار گرفته شوند. روش کار به این صورت بود که هر یک از حسگرهای دما فشار و رطوبت به نوبت به نوسان ساز متصل می شدند. برای اتصال نوبتی هر یک از حسگرها همه مدارهای واسطه مجهز به یک مدار مولتی‌پلکس کننده نیز بودند. معمولاً در این مولتی‌پلکس کننده‌ها از روش مولتی‌پلکس زمانی یا TDM استفاده می‌شد. پیش از بوجود آمدن مولتی پلکس کننده های الکترونیکی، وظیفه مولتی‌پلکس کردن توسط یک کلید گردان مکانیکی به انجام می‌رسید. گردش این کلید توسط باد انجام می شد. کلید نشان داده شده در شکل های ۷ و ۸ در واقع معادل بخش مولتی پلکس کننده است. توجه داشته باشید که این کلید نمادین می باشد و می تواند یک مدار کاملاً الکترونیکی باشد.

بالون پایلوت

رادیوسوندها تا اوایل دهه ۱۹۷۰ میلادی توانایی اندازه‌گیری سمت و سرعت باد را به صورت مستقیم دارا نبودند. برای تعیین سمت و سرعت باد در سطوح فوقانی جوّ در ابتدا از دوربین‌های نقشه‌برداری یا تئودولایت استفاده می‌شده‌است. روش کار به این صورت بود که پس از رها نمودن بالون و رادیوسوند شخصی در پشت دوربین نقشه‌برداری قرار می‌گرفت و شخص دیگری نیز در حالی که یک زمان سنج در دست داشت در کنار وی می‌ایستاد. شخص اوّل از پشت چشمی دوربین مرتب بالون را تحت نظر قرار می‌داد و با چرخاندن دوربین در زوایای مختلف تا آنجا که امکان داشت سعی می‌کرد تا بالون را از نظر گم نکند. شخص دوم با توجه به زمان سنج هر یک دقیقه زاویه افقی (Azimuth) و زاویه عمودی (Elevation) را از روی درجه بندی نشان داده شده توسط تئودولایت می‌خواند و آنرا یادداشت می‌نمود.

در دوربین‌های جدید نیازی به نفر دوم وجود ندارد و زوایای مزبور هر یک دقیقه به صورت خودکار ثبت و توسط رایانه کوچکی که مجهز به یک چاپگر است، چاپ شده و قابل برداشت می‌باشد. در این روش در صورت ابری بودن آسمان کار تا جایی ادامه پیدا می‌کرد تا بالون وارد ابر می‌شد و از نظر ناپدید می‌گردید. در چنین مواقعی زمان ورود بالون به درون ابر ثبت می‌شد و بعد به کمک محاسبات ارتفاع پایه ابر تعیین می‌گردید. به کمک زوایای اندازه‌گیری شده و روابط مثلثاتی می‌توان لحظه به لحظه سمت و سرعت وزش باد را محاسبه نمود. در مواقعی یک بالون بدون رادیوسوند را رها می‌نمایند و توسط دوربین نقشه برداری به همان روش گفته شده در بالا آنرا تعقیب می‌نمایند تا سمت و سرعت وزش باد در سطوح فوقانی جوّ و همچنین ارتفاع پایه ابر را بدست آورند. به این بالون اصطلاحاً بالون پایلوت (Pilot Balloon) گفته می‌شود. در هواشناسی ایران یک ایستگاه هواشناسی کار ارسال بالون پایلوت را انجام می‌دهد. به این ایستگاه‌ها نام ایستگاه پایلوت اطلاق می‌گردد. برای آنکه کار تعقیب بالون‌های پایلوت توسط دوربین آسان باشد، بالون‌های ویژه این کار به طور معمول با رنگ‌های قرمز یا مشکی ساخته می‌شود. در شکل ۵ تصویر کار تعقیب بالون پایلوت در سال‌های دهه ۴۰ شمسی در یکی از ایستگاههای هواشناسی ایران به نمایش گذارده شده‌است.

تعقیب بالون پایلوت توسط دوربین نقشه برداری

رادار باد (WIND RADAR)

علاوه بر روش پایلوت بالون در گذشته برای تعیین سمت و سرعت باد از رادارهای باد نیز استفاده می‌شده‌است. در شکل‌های ۶ و ۷ تصاویری تاریخی از رادار بادی که در سال ۱۳۴۰ شمسی در ایستگاه هواشناسی مستقر در فرودگاه مهرآباد در حال راه اندازی بوده نشان داده شده‌است. در حال حاضر این رادار به صورت نمایشی در محوطه حیاط مرکز اقیانوس شناسی واقع در اقدسیه تهران قرار دارد. از نظر اصول روش‌های محاسباتی به کار گرفته شده در رادار باد همان روش‌های بالون پایلوت به کار برده می‌شده‌است.

• 

  رادار باد در مهرآباد تهران سال ۱۳۴۰ شمسی

• 

  ارسال بالونی در مهرآباد تهران سال ۱۳۴۰ شمسی که در زیر آن بازتابنده رادار بسته شده

رادیو تئودولایت (RADIO TEODOLITE)

روش دیگری نیز در سال‌های دهه ۵۰ بیشتر مطرح بود و امروزه بیشتر در کاربردهای نظامی رادیوسوند مورد توجه قرار می‌گیرد، بکارگیری از رادیوتئودولایت است. این وسیله نیز همچون رادار باد برای انجام محاسبات از همان اصول بالون‌های پایلوت پیروی می‌نماید. همانگونه که در بالون‌ها به کمک دوربین نقشه برداری زوایای عمودی (ELEVATION)و افقی (AZIMUTH) در هر یک دقیقه بدست می‌آید، همین زوایا در روش راداری به کمک تعیین آنها بر روی آنتن رادار باد و در رادیوتئودولایت به وسیله زوایای مزبور در محور آنتن این دستگاه مانند شکل ۸ که دوباره عکسی تاریخی از به کارگیری این وسیله در ایستگاه مهرآباد تهران در سال‌های دهه ۴۰ شمسی می‌باشد، به دست می‌آید.

آنتن دستگاه رادیوتئودولایت- درحال کار در فرودگاه مهرآباد تهران- سالهای دهه ۱۳۴۰ شمسی

سامانه‌های کمک ناوبری

از اوایل دهه ۷۰ میلادی بر روی دستگاه‌های رادیوسوند یک دستگاه گیرنده رادیویی که توان دریافت علائم ارسالی از یکی از سامانه‌های کمک ناوبری را دارا بود، نصب گردید. در آن سال‌ها مشهورترین سامانه کمک ناوبری سامانه امگا بود. پس از آن سامانه LORAN-C وجود داشت که هنوز هم موجود می‌باشد. سامانه امگا از اواخر دهه ۹۰ میلادی تعطیل شد. بسیاری از فرستنده‌های رادیویی پخش علائم LORAN-C نیز در سطح کره زمین تعطیل شدند و امروزه امکان دریافت علائم این سامانه در بیشتر نقاط کره زمین امکان پذیر نیست. به همین دلیل سازندگان رادیوسوند از اواخر دهه ۹۰ میلادی اقدام به تولید رادیوسوندهایی نمودند که مجهز به گیرنده کمک ناوبری جی‌پی‌اس بودند. از آنجاییکه اندازه‌گیری ارتفاع نیز توسط سامانه کمک ناوبری جی‌پی‌اس امکان پذیر می‌باشد، برخی از سازندگان رادیوسوند از اوایل قرن ۲۱ حسگر فشار هوا را رسماً حذف نمودند و با اندازه‌گیری ارتفاع توسط جی‌پی‌اس و قرار دادن این ارتفاع در رابطه ریاضی بین فشار و ارتفاع به محاسبه فشار پرداختند. در این مورد سازمان جهانی هواشناسی یا سازمان جهانی هواشناسی نیز بنا بر نتایج حاصل از آزمون‌های مقایسه‌ای میان رادیوسوندهای با فشارسنج و بدون فشارسنج که در سال ۲۰۰۵ میلادی با نظارت خود این سازمان انجام گردید، به طور رسمی صحت داده فشار به دست آمده از رادیوسوندهای بدون حسگر فشار را تأیید نموده و اعلام نمود که از این به بعد ضرورتی بر استفاده از حسگر فشار بر روی رادیوسوندها وجود نداشته و دقت اندازه‌گیری ارتفاع توسط جی‌پی‌اس به ویژه در لایه‌های بالای ۲۰ کیلومتری دارای دقت چند برابر بهتر از فشارسنج‌ها است. همه رادیوسوندهای مورد استفاده در هواشناسی ایران نیز مجهز به گیرنده جی‌پی‌اس هستند.

ساختارهای مکانیکی و اضافی در رادیوسوند

علاوه بر ساختار اصلی که در بالا ذکر شد و توصیف کننده رادیوسوند به صورت یک سامانه سنجشی و رادیویی می‌باشد که از لحاظ ماهیتی بیشتر به مدارهای الکترونیکی باز می‌گردد، می‌توان به اجزاء دیگری نیز اشاره نمود که وجود آنها در رادیوسوند حیاتی بوده و کارکرد صحیح و درست رادیوسوند را تضمین می‌نمایند.

باتری

مهمترین این اجزاء منبع تغذیه رادیوسوند یعنی باتری آن می‌باشد. این باتری در گذشته‌ها به صورت یک باتری اسیدی بوده که الکترولیت آن معمولاً با استفاده از اسیدسولفوریک به دست می‌آمده‌است. کار تهیه الکترولیت این باتری در ایستگاه و توسط خود دیده‌بان‌ها به انجام می‌رسیده‌است. بعدها یعنی در طی اواخر دهه۶۰ میلادی باتری‌هایی برای رادیوسوندها ساخته شد که توسط آب فعال می‌شد (Water activated) این باتری‌ها هنوز هم برای تغذیه رادیوسوندهای جدید در کنار باتری‌های خشک از باتری‌های فعال شونده با آب نیز استفاده می‌شود. باتری رادیوسوند چه خشک باشد یا فعال شونده باآب می‌تواند تا دو ساعت و نیم تغذیه الکتریکی رادیوسوند را به خوبی به انجام برساند. در مورد باتری‌های خشک معمولاً برای رادیوسوند از باتری‌های قلیایی که نسبت به انواع دیگر دارای ظرفیت بالاتری است استفاده می‌شود. زمان نگهداری از باتری‌های فعال شونده با آب به شرط آنکه از بسته مخصوص آن بیرون آورده نشوند، مدت طولانی خواهد بود. در حالیکه در مورد باتری‌های خشک بهتر است در زمان کوتاه‌تر از دو سال پس از تحویل رادیوسوندها مورد استفاده قرار داده شوند.

نخ و نخ بازکن

همانطورکه مشهود است، یک دستگاه رادیوسوند توسط نخی به بالون هواشناسی بسته می‌شود. نقش این نخ همین نیست که رادیوسوند و بالون را به یکدیگر متصل نگهدارد. هر جسمی دارای تابش‌های حرارتی یا مادون قرمز است. بالون نیز از این قاعده مستثنی نیست و تابش‌های گرمایی آن می‌تواند بر روی حسگر دمای رادیوسوند تأثیر بگذارد. به همین دلیل یک حداقل فاصله برای از میان برداشتن این تأثیر باید بین بالون و رادیوسوند وجود داشته باشد. این فاصله بین ۲۴ تا ۳۰ متر است. این حدفاصل توسط طول نخ ایجاد می‌شود. ولی نقش نخ در همین جا نیز به پایان نمی‌رسد. بلکه برای کمک به جی‌پی‌اس نیز مجدداً از طول نخ کمک گرفته می‌شود. رادیوسوند آویخته از بالون مانند یک آونگ تمایل به نوسان دارد. در واقع رادیوسوند زیر تأثیر نیروی بادی که در سطوح فوقانی جوّ پیوسته در حال وزش است به صورت یک آونگ مخروطی به گردش و نوسان می‌افتد. این نوسانات به نوبه خود منجر به بروز نوسان در داده‌های بدست آمده از گیرنده جی‌پی‌اس می‌شوند. برای از میان برداشتن نوسانات مزبور افزایش دوره تناوب نوسان آونگ راه حلّ خوبی می‌باشد. دوره تناوب نوسان یک آونگ با طول بازوی آونگ ارتباط مستقیم دارد. چون بازوی آونگ در اینجا همان نخ رادیوسوند است، افزایش طول آن معادل افزایش طول همان بازو است که طول نخ رادیوسوند را به بیش از ۶۰ متر می‌رساند. طول نخ در این شرایط مشکلاتی در آغاز رها نمودن بالون و رادیوسوند به عهده خواهد داشت. این مشکلات به وزش باد مربوط می‌شود. زیرا هنگامیکه در سطح زمین باد می‌وزد، به بالون نیروی افقی وارد می‌شود که با نیروی بالابری آن به طور برداری جمع می‌شود و برآیند آن به صورت برداری با زاویه‌ای بزرگتر از صفر و کوچکتر از ۹۰ درجه با افق خواهد بود. طبیعی است که هر قدر سرعت وزش باد در سطح زمین بزرگتر باشد، زاویه بردار برآیند به صفر نزدیکتر شود. زیرا باد تندتر معادل نیروی افقی بزرگتر است. کاهش زاویه بردار برآیند به این معنا است که بالون مدت زمان طولانی تری را نیاز دارد تا به مقدار کافی از زمین دور شود و در واقع مسافت طولانی در نزدیک زمین پرواز می‌کند. تصور نمایید که در چنین شرایطی رادیوسوند هم با یک نخ به طول ۶۰ متر در زیر بالون آویخته شده باشد. در چنین شرایطی رادیوسوند حتماً به سطح زمین برخورد نموده و آسیب خواهد دید. اگر هم بتواند از برخورد با زمین بگریزد چون هنوز به مقدار کافی از سطح زمین دور نشده احتمال برخورد آن به اشیاء بلند مانند درخت، چراغ‌های پایه بلند، لبه ساختمان‌ها و مانند آنها هنوز وجود خواهد داشت. به همین دلیل این ۶۰ و چند متر نخ به دور قرقره ویژه‌ای بسته می‌شود که پس از رها نمودن بالون و رادیوسوند، نخ از طریق آن به تدریج باز خواهد شد. این قرقره را نخ بازکن نامیده‌ایم که در زبان انگلیسی آنرا UNWINDER یا DEREELER می‌خوانند.

برخی تجهیزات اندازه‌گیری جوّ بالا که رادیوسوند بخش اصلی آنها است

دراپ سوند

رادیوسوندها گاهی به وسیله هواپیما بر بالای مرکز توفان‌ها برده شده و به درون مرکز توفان رها می‌گردند تا اطلاعات دریافتی از آن به منظور مطالعه و بررسی توفان‌ها توسط دانشمندان بکار گرفته شود. این رادیوسوند به چتری مجهز می‌باشد که امکان سقوط تدریجی را به درون گردبادهای توفانی فراهم می‌آورد. به این رادیوسوند اصطلاحاً دراپ سوند (Drop Sonde) گفته می‌شود. برای دریافت اطلاعات DropSonde یک گیرنده رادیویی درون هواپیمای رها کننده DropSonde وجود دارد. برای بررسی لایه‌های بالاتر جوّ از راکت سوند استفاده می‌شود.

بالون‌های هواشناسی

همانطورکه پیشتر نیز بیان گردید بالون‌های هواشناسی وظیفه حمل رادیوسوندها را به درون اقیانوس عظیم جوّ بالای سر ما به عهده دارند. بالون‌های هواشناسی ممکن است به ارتفاع نزدیک به ۴۰ کیلومتری صعود. این بالون‌ها در طی صعود به درون جوّ مرتب بزرگ و بزرگتر شده (بر پایه اینکه دیواره آن قابل انعطاف بوده و تمایل به مساوی نمودن فشار درون و برون دارد، با کاهش فشار هوای بیرون که با افزایش ارتفاع بوجود می‌آید، حجم بالون مرتب افزایش پیدا می‌کند.) تا در نهایت ضخامت جداره بالون به حدّی نازک می‌شود تا دیگر دوام پیدا نکرده و بالون ب‌ترکد و رادیوسوند همراه با نخ و بالون ترکیده شده به طرف زمین به پائین می‌افتد. یک پرتاب موفق بالون معمولاً پروازی به مدت ۹۰ الی ۱۵۰ دقیقه را در پی دارد. در طی پرواز رادیوسونداطلاعات مربوط به دمای محیط، رطوبت نسبی، فشار جوّ، سمت و سرعت باد را در سطوح مختلف جو توسط قرستنده رادیویی خود به زمین ارسال می‌نماید. به طوریکه کلیه گیرنده‌های زمینی که بر روی فرکانس آن رادیوسوند تنظیم شده باشند و در برد امواج رادیویی آن قرار گرفته باشند و در ضمن توانایی خواندن اطلاعات کد شده مربوطه را داشته باشند، قادر خواهند بود تا اطلاعات مزبور را دریافت نمایند. مشاهدات رادیوسوند Radio Observation یا به اختصار RAOB نامیده می‌شود.

منابع

• سازمان هواشناسی کشور- اداره کل مهندسی و سیستم‌های پایه- اداره تجهیز و گسترش- حسین اکبر- کارشناس ارشد سامانه‌های جوّ بالا
• الف-VAISALA NEWS مجله