Mediciones de la Altura de la Base de Nubes. Claudio Porrini Principios Básicos de Mediciones Atmosféricas- Curso 2011

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Gregorio Álvarez Olivera
hace 6 años
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1 Mediciones de la Altura de la Base de Nubes Claudio Porrini Principios Básicos de Mediciones Atmosféricas- Curso 2011

2 Introducción La observación de nubes y la estimación o la medida de la altura de la base de nubes por arriba de la superficie de la Tierra es importante para varios propósitos en la diversas aplicaciones de la meteorología y es de especial importancia para la avición. Existen diferentes métodos de observación para lograr medir la altura de nubes. Estos son: Cielómetro de laser rotante. Cielómetro laser. Globo. Reportes de aviones(cielómetro). Estimación visual.

3 Cielómetro Laser Se mide la altura de las nubes a partir del tiempo que le toma a un pulso laser(emisión de una onda electromagnética) en viajar desde un transmisor hasta la base de la nube, y desde la nube a un receptor. Ésta técnica se denomina LIDAR (Ligth Detection and Ranging), y funciona en base a los mismos principios que utilizan los radares. La salida desde el laser es en dirección vertical dirigido hacia arriba, de manera que, si una nube se encuentra arriba del transmisor, la radiación emitida sufre el proceso de scattering. El scattering se produce en todas direcciones, la mayor parte es hacia arriba pero cierta radiación es hacia abajo la cual es recibida por un detector fotoeléctrico.

5 El scattering que se produce puede ser inelástico o elástico: El caso inelástico ocurre cuando la longitud de onda proveniente del laser cambia luego de que incide en la particula, El caso inelástico se denomina scattering de Raman. El caso elástico es en el cual la longitud de onda de la radiación incidente no cambia luego de haber interceptado a la particula. Este scattering puede ser el de Rayleigh o de Mie, dependiendo en el tamaño y distribución de las particulas respecto de la longitud de onda incidente. Los LIDAR basados en el scattering de Rayleigh o Mie son usados en el estudio de nubes, mientras que los basados en el scattering de Raman son usados en estudios de aerosoles.

6 Arquitectura LIDAR TRANSIMISOR FUENTE DE RADIACIÓN RECEPTOR DETECCIÓN DE LUZ SISTEMA DE CONTROL Y ADQUISICIÓN DE DATOS

7 Transmisor Es de donde se emite el pulso de luz, es un semiconductor laser que emite pulsos típicamente a 75W con una duración de 110ns y a una tasa de 1kHz. El laser emite radiación en la longitud de onda de 900nm. La superficie del lente del laser es diseñada de manera que se reduzcan los efectos de reflexión y que la transmisión sea máxima en 900nm. Es cerrado por una ventana de vidrio, el cual es anti-reflejante, y esta puesto en una superficie a 20 de la horizontal de manera que la precipitación escurra sobre el. Receptor Tiene una construcción similar al tranmisor, excepto que el receptor laser es reemplazado por un fotodiodo. Colecta y detecta la cantidad de fotones recibidos luego de ser interceptados por objetivo que se quiere medir. Distingue espectralmente los fotones recibidos(filtro óptico). Sistema de control y adquisición de datos Registra el dato que retorna y el tiempo de vuelo del pulso.

8 Ecuación LIDAR Dependiendo de la aplicación que se le está dando al cielómetro se tiene una ecuación LIDAR diferente pero que en esencia es la misma debido a que utiliza los principios de los radares.

9 Retorno del LIDAR La figura superior representa el retorno del lidar utilizando el scattering inelástico y la figura inferior es el retorno utilizando el scattering elástico, el pico se debe a la presencia de nubes.

10 Exposición e Instalación Se debe instalar de forma tal que esté despejado arriba del cielómetro un cono de 30. Aunque el laser del cielómetro es construido para proteger los ojos de los observadores, se deben tomar medidas para prevenir que el observador mire directamente al transmisor. Fuentes de error Verticalidad de los rayos del transmisor y el receptor. Problemas debido al procesamiento de las señales en el sistema: porque la base la nube es difusa y varía mucho en tiempo y espacio, se desarrollan complejos algoritmos para representar la forma de la base de la nube a partir de la señal recibida de la nube. En condiciones de niebla( con o sin nubes arriba de la niebla) y durante ocurrencias de precipitación, se pueden generar serios errores. Por lo que es importante tener conocimientos de la visibilidad y de la precipitación de manera que la información que se obtiene del cielómetro tenga valor.

11 Calibración y mantenimiento La mayoría de los cielómetros son construidos para poder monitorear la potencia emitida por el transmisor y los tiempos de los pulsos. La calibración consiste en chequear los tiempos del oscilador, es decir las frecuencias a que se emiten los pulsos y la potencia emitida del transmisor las cuales son comparadas con las medidas estándar. El mantenimiento consiste en rutinariamente limpiar los sensores ópticos que se encuentran expuestos al entorno.

12 Cielómetro de laser rotante Es la medida del ángulo de elevación de un rayo de luz que incide sobre un plano vertical en el instante en cual una porción de ese rayo sufre el proceso de scattering y es recibido por un receptor fotovoltaíco que se encuentra abajo y sobre la misma vertical que el plano donde incide el rayo, y a una distancia conocida de la fuente.

14 Consiste en un transmisor, un receptor y una base que registra y procesa los datos recibidos. El transmisor emite un laser con un ancho de 2, con la mayoría de la radiación emitida en las longitudes de onda que se encuentran entre los 1 a 3 micrómetros. Esta longitud de onda es pequeña en comparación con el tamaño de las gotas de agua de las nubes. El laser barre un arco que comprendido entre los 8 y 85 a una frecuencia de 1kHz. El receptor solo alcanza a recibir la luz que llega en la dirección vertical.

15 Instalación El transmisor y el receptor deben ser instalados a una distancia comprendida entre los 100 y 300 metros. Es importante que el laser que emite el transmisor coincida con el plano vertical que es escaneado por el receptor. Fuentes de error El ancho del laser emitido. La desalineación óptica. Precipitación que reduce la señal en el receptor. Calibración y mantenimiento Al igual que el cielómetro es necesario limpiar los lentes del transmisor y del receptor. Corroborar la incidencia del laser en el mismo plano vertical que escanea el receptor.

16 Globo Se utilizan durante el día, tomando el tiempo que le toma a un globo inflado con helio o hidrógeno elevarse desde el suelo hasta la base de la nube. Se toma la base de la nube la capa en la que el globo se visualiza de manera borrosa antes de desaparecer.

17 La tasa de ascenso del globo es controlada por la cantidad de helio o hidrogeno que contiene. Se le toma el tiempo que tarda en llegar a la base de la nube. En general el lanzamiento es afectado por remolinos que impiden que el globo ascienda, se toma este tiempo hasta que comienza a ascender y se le resta del tiempo total. La altura se calcula como tiempo x tasa de ascenso. Fuentes de error La precipitación, debido a que reduce la tasa de ascenso. En los primeros 100m, la tasa de ascenso es afectada fuertemente por turbulencia, corrientes de aire o deformación del globo.

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