رادیوسوند

دیده بانی از لایه‌های 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. به‌طوری‌که 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 به‌کارگیری از بادبادک نیز ادامه داشت، به‌طوری‌که 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. به‌کارگیری بادبادک نیز معایبی داشت. نخست آنکه سقف پرواز آن به‌طور 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 امکان‌پذیر 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. 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. به‌طوری‌که از سال ۱۹۲۵ تا اوایل دهه ۱۹۴۰ میلادی تنها در ایالات متحده آمریکا 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. به‌طوری‌که در سال‌های آغازین دهه ۱۹۲۰ میلادی دانشمندان کار ارسال آزمایشی فرستنده‌های رادیویی را توسط بالون‌های هواشناسی به هدف بررسی کیفیت دریافت امواج رادیویی در شرایط مزبور آغاز نمودند. به‌طوری‌که 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 پیش‌بینی 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 جعبه‌ای حامل یک دستگاه Meteograph در یکی از ایستگاه‌های هواشناسی در ایالات متحده آمریکا 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 سامانه زمینی کار جوّ بالا برای فرستادن رادیوسوند بوده‌است. تا سال ۱۳۳۸ هجری شمسی با تأسیس سامانه جوّ بالا در کرمان تعداد ایستگاه‌هایی که کار ارسال رادیوسوند به جوّ را انجام می دادند به دو عدد افزایش می‌یابد. قدیمی‌ترین سوابق یافت شده مستند در میان 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 بوده‌ است. این ایستگاه‌ها 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 ایستگاه جوّ بالای اصفهان کار ارسال ازن سوند نیز برای اندازه‌گیری ازن سطوح فوقانی انجام می‌شود.

• 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

• شکل ۸: راه اندازی رادار باد در ایستگاه مهرآباد تهران. سال 1340 خورشیدی

استفاده از حسگرهای ویژه بر روی رادیوسوند

امکان اتصال و پیوست حسگرهای غلظت گاز ازن (Ozon Sonde) و تابش‌های رادیواکتیو (Radioactive Sensor)و حسگرهای دیگری مانند حسگرهای اندازه گیری غبار مانند غبارهای آتشفشانی یا حسگرهای اندازه گیری کننده شدت میدان الکتریکی 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 اندازه‌گیری و مراقبت ازن با فرستادن دستگاه ازن سوند انجام می‌شود. این ازن سوند از نوع ECC-6A می‌باشد.در نام این ازن سوند نشانه‌های ECC اشاره به نوعی ازن سوند با سلول الکتروشیمیایی را دارند. در واقع نشانه E واژه Electrochemical را نشان می‌دهد 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(KI) با غلظت معین است. درون سلول الکترودهایی از جنس پلاتین قرار داده شده که دو عدد کاتد و یک آند از آن‌ها تشکیل می‌گردد. 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 غلظت‌های متفاوت در هر یک از بخش‌ها 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 می‌باشد.این دو بخش به وسیله دیواره‌ای که میان آن‌ها قرار داده شده و تنها اجازه گذشتن یون‌ها را می‌دهد، از یکدیگر جدا شده‌اند. دیواره مزبور از آمیخته شدن محلول هر بخش با بخش دیگر جلوگیری به عمل می‌آورد. به این ترتیب غلظت محلول‌های دو بخش آند و کاتد یکسان نخواهد شد. به این سبب یک اختلاف پتانسیل الکتریکی میان آند و کاتد به وجود می‌آید. 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 می‌شود. 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 طوری‌ که 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 می‌گذرد منجر به بازگشت مجدد ید به وجود آمده به یون یدید یا یدور می‌گردد. به‌ طور نظری شدت جریان عبور کرده از سلول با مقدار ازن وارد شده به سلول کاتد متناسب می‌باشد به‌طوری‌که به ازای هر مولکول گاز ازن باید 2 الکترون ایجاد شود. با اندازه‌گیری این جریان و تغییرات آن و روابط ریاضی حاکم بر مقدار ازن و دیگر پارامترها مقدار فشار جزئی ازن در جو را می‌توان از رابطه زیر به دست آورد. حسگر ازن سوند باید پیش از ارسال به جوّ یک فرآیند آماده سازی را که گاهی ۸ ساعت به طول می انجامد را پشت سر بگذارد. بخشی از این فرآیند شامل تست کردن سلول الکتروشیمیایی توسط گاز ازن است. برای تولید ازن لازم جهت این تست از دستگاه مولد ازن استفاده می شود که تصویر آن در شکل ۱۱ نشان داده شده است. در این دستگاه گاز ازن توسط یک لامپ تابش فرابنفش ایجاد می گردد. خود دستگاه نیز مجهز به یک سلول الکتروشیمیایی ECC است. علاوه بر این وضعیت جریان الکتروموتور چرخاننده پمپ روی ازن سوند توسط این دستگاه اندازه گیری می شود. باید یادآور شویم که جهت تعیین دبی پمپ مورد استفاده در سلول الکتروشیمیایی نیز یک پیپت طبق تصویر شکل ۱۲ همراه با یک زمان سنج به کار گرفته می شوند. میزان خلأ یا فشار پمپ نیز توسط یک فشارسنج تعیین می گردد.

پیوست رادیوسوند به حسگر ازن

پس از آماده سازی ازن سوند باید به دستگاه رادیوسوند متصل شده تا اطلاعات آن توسط رادیوسوند به زمین مخابره گردد. در تصویر شکل ازن سوند و رادیوسوند مدل RS92-SGP که به بدنه ازن سوند پیوست شده، نشان داده می شود. در این حالت ازن سوند و رادیوسوند پیوست شده با هم به بالون هواشناسی بسته شده و به اقیانوس جوّ روانه می گردد. با توجّه به آنکه وزن این محموله از وزن یک رادیوسوند تنها بیشتر است، معمولاً برای آنکه بالون بتواند این مجموعه را تا ارتفاع 30 کیلومتری سطح دریا و بالاتر برساند، از بالون های 1000 گرمی هواشناسی برای ارسال ازن سوند به جوّ استفاده می کنند. یادآوری می شود که حسگر ازن توسط یک مدار میانجی به رادیوسوند وصل شده و در واقع جزئی از حسگرهای رادیوسوند می شود و اطلاعات آن در کنار اطلاعات بقیه حسگرهای رادیوسوند به گیرنده زمینی مخابره می گردد. در حال حاضر بیشتر سازندگان رادیوسوند امکان اتصال ازن سوند نوع ECC را به رادیوسوند خود ایجاد نموده اند. علاوه بر این به طور معمول نرم افزار پردازش کننده اطلاعات رادیوسوند نیز دارای گزینه هایی برای انتخاب ضرایب کالیبراسیون ازن سوند می باشد.

• شکل ۹: رابطه فشار جزئی گاز ازن در ازن سوند نوع ECC

• شکل ۱۰: طرح‌واره ازن سوند نوع ECC

• شکل ۱۱:دستگاه مولد ازن جهت تولید ازن برای کالیبره نمودن ازن سنج یا ازن سوند به کار می رود

• شکل ۱۲:همه تجهیزاتی که برای آماده سازی و کالیبره نمودن ازن سوند به کار می روند.

• شکل ۱۳:نمای ظاهری از بدنه ازن سوند که محتوی سلول الکتروشیمیایی می باشد.

• شکل ۱۴: رادیوسوند پیوست شده به ازن سوند جهت گسیل به اقیانوس جوّ آماده شده اند.

• شکل ۱۵:نخ بازکن رادیوسوند باید طبق این تصویر ابتدا به دهانه بالون و سپس به قرقره مربوط به ازن سوند اتصال داده شود.

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 ۱۱: بخش‌های گوناگون یک دستگاه رادیوسوند دیجیتال

• شکل ۱۲:طرحواره یک رادیوسوند آنالوگ مجهز بهGPS

• شکل ۱۳:رادیوسوند RS80-15F مجهز به گیرنده کمک ناوبری با قابلیت کار با سامانه‌های OMEGA و LORAN-Cجهت به دست آوردن سرعت و سمت باد در سطوح بالای جوّ.

• شکل ۱۴:باتری فعال شونده با آب که برای تغذیه رادیوسوندRS92-SGP به کار برده می‌شود. ولتاژ این باتری ۹ ولت و ظرفیت آن برای تأمین انرژی برق رادیوسوند برای مدّت بیش از دو ساعت کافی می‌باشد.

• شکل ۱۵:طرحواره مدار الکترونیکی یک دستگاه رادیوسوند متعلق به سال ۱۹۶۰ میلادی

• شکل ۱۶: مدار الکترونیکی رادیوسوند مجهز به یک لامپ الکترونی که در سال 1959 میلادی ساخته می‌شد.

• شکل ۱۷: تصویر کلّی از رادیوسوند لامپی سال 1959

• شکل ۱۸: تصویر رادیوسوند دیجیتال مدل RS92-SGP بر روی دستگاه آزمون زمین یا Ground Check مدل GC25 جهت آزمودن صحت کار رادیوسوند و همچنین تنظیم فرکانس رادیویی فرستنده آن جهت ارسال به اقیانوس جوّ.

• شکل ۱۹: تصویری از دو نسل رادیوسوندهای دیجیتال مورد استفاده در قرن 21. رادیوسوند سمت چپ مدل RS92-SGP مجهز به حسگر فشار جوّ و متعلق به سال ۲۰۰۰ میلادی می‌باشد. رادیوسوند سمت راست مدل RS41-SGP دارای حسگر فشار جوّ این رادیوسونداز سال ۲۰۱۴ میلادی به عرصه جوّ بالا وارد شده‌است.این رادیوسوند از دو باتری قلمی با ولتاژ ۱/۵ولتی تغذیه می‌شود. به این دلیل و همچنین عدم وجود حسگر فشار و به‌کارگیری از فناوری‌های نوین در ابعاد و وزن، به میزان چشمگیری صرفه جویی شده‌است. از این مدل رادیوسوند، ۳ نوع ساخته شده‌است. این ۳نوع عبارتند از RS92-SGP و RS92-SG و RS92-D که اولی و سومی دارای حسگر فشار بوده و دومی فاقد حسگر فشار می‌باشد.در این نوع رادیو سوند با به دست آوردن ارتفاع به کمک GPS مقدار فشار جوّ از راه محاسبه در نرم‌افزار مشخص می‌گردد.

حسگرها

هر یک از حسگرها پارامتر مربوط به خود را اندازه‌گیری نموده و توسط مدارهای واسط و بر پایه یکی از روش‌های مدولاسیون آن را به فرستنده رادیویی تحویل می‌دهد. حسگرها معمولاً از خازن یا مقاومت ساخته می‌شوند. در مورد حسگر نم سنج (رطوبت سنج) به ویژه به‌کارگیری 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 می‌شود. از سال ۲۰۰۵ میلادی برخی از سازندگان مطرح رادیوسوند در جهان با حذف حسگر اندازه‌گیری فشار جوّ، سبب کاهش چشمگیری در بهای تمام شده رادیوسوند شدند. این سازندگان به جای اندازه‌گیری فشار جوّ، ارتفاع را به کمک یک گیرنده جی پی اس که درون رادیوسوند تعبیه می‌شودمتناظر با ارتفاع اندازه‌گیری شده را محاسبه می نمایند. در آزمایش‌هایی که جهت مقایسه کیفیت فشار محاسبه شده در این رادیوسوند و فشار اندازه‌گیری شده توسط رادیوسوندهای کارخانه‌های دیگر زیر نظارت سازمان هواشناسی جهانی در سال ۲۰۰۵ میلادی و در جزیره موریس به عمل آمد، مشخص گردید که دقّت این روش به مقدار کافی بالا بوده و در لایه‌های بالای جوّ و در فشارهای پایین حتّی از روش اندازه‌گیری مستقیم نیز به مراتب بهتر است. به این ترتیب سازمان هواشناسی جهانی WMO به‌طور رسمی اعلام نمود که از این پس برای اندازه‌گیری فشار هوا هیچ لزومی به استفاده از حسگر فشار در رادیوسوند 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 می‌کرد (بین 24 تا 25.6 مگاهرتز) و کلّ فرستنده از یک نوسان ساز ساده مجهز به لامپ خلاء تشکیل می‌شد.(شکل‌های ۱۶ و ۱۷) بعدها با پیشرفت فناوری و اختراع ترانزیستور، این عنصر الکترونی جای لامپ خلاء الکترونی را در رادیوسوند می‌گیرد. در این رادیوسوند، فرکانس فرستنده رادیویی تابع حسگرهای خازنی که توسط یک کلید گردان با مدار نوسان ساز فرستنده موازی شده اند، می‌باشد. هر حسگر که با مدار نوسان ساز به‌طور موازی قرار می‌گیرد، موجب تغییر فرکانس فرستنده رادیویی رادیوسوند می‌شود. علاوه بر این چنانچه پارامتر مؤثر بر روی حسگر، تغییر نماید، به دلیل تغییر ظرفیت خازنی حسگر مزبور، بازهم فرکانس مدار نوسان ساز دچار تغییر شده و در نهایت فرکانس رادیویی فرستنده عوض خواهد شد. این تغییر نماینده تغییر پارامتر مورد نظر خواهد بود.(شکل ۱۵)دربارهٔ مدولاسیون این فرستده‌ها می‌توان گفت که به نوعی اطلاعات به صورت مدولاسیون فرکانس یا FM بر روی آن سوار می‌شد. البتّه امروزه از انواع مدولاسیون‌های دیجیتالی مانند GFSK در فرستنده رادیوسوند استفاده می‌شود. قدرت پخش این فرستنده امروزه از 50 تا 200 میلی وات می‌باشد. فرستنده رادیوسوند از سال 1960 میلادی به بعد، از محدوده UHFو در بسامد نامی ۴۰۳ مگاهرتز استفاده می‌کند. البته یک بسامد دیگر نیز در همین محدوده برای رادیوسوندهایی که جهت کار با رادیوتئودولایت ساخته می‌شوند، به کار برده شده که به بسامد ۱۶۰۰مگاهرتز شناخته می‌شود. در واقع فرستنده رادیوسوندها می‌تواند از ۴۰۰ تا ۴۰۶ مگاهرتز یا از ۱۶۰۰ تا ۱۷۰۰ مگاهرتز قابل تنظیم شود. به‌طور معمول برد فرستنده رادیوسوند، ۲۵۰ کیلومتر می‌باشد. ولی معمولاً بسته به شرایط جوّی و وضعیت آنتن گیرنده، در عمل دریافت علائم فرستنده رادیوسوند از فاصله ۴۰۰ کیلومتری ممکن است.

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 سال‌های آغازین رادیوسوند هیچ مدار واسط یا میانجی نداشت و فرکانس رادیویی بخش فرستنده تحت تأثیر حسگرها تغییر می‌کرد. این تغییرات فرکانس پس از دریافت در گیرنده زمینی برای محاسبه هر یک از پارامترهای اندازه‌گیری شده به کار برده می‌شد. در نسل‌های بعدی رادیوسوندها که تقریباً از 40 سال پیش تا آخرین نسل رادیوسوندهای آنالوگ را در بر می‌گیرد، از نوسان‌سازی با فرکانس‌های صوتی استفاده به عمل می آمد. بسامد این نوسان ساز به حسگرها وابسته بود. در واقع حسگرها به‌طور معمول از جنس خازن یا مقاومت الکتریکی بودند که می‌توانستند 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 می‌شدند. برای اتصال نوبتی هر یک از حسگرها همه مدارهای واسطه مجهز به یک مدار مولتی‌پلکس‌کننده نیز بودند. معمولاً در این مولتی‌پلکس‌کننده‌ها از روش مولتی‌پلکس زمانی یا TDM استفاده می‌شد. پیش از به وجود آمدن مولتی پلکس‌کننده‌های الکترونیکی، وظیفه مولتی‌پلکس کردن توسط یک کلید گردان مکانیکی به انجام می‌رسید. گردش این کلید توسط باد انجام می‌شد. کلید نشان داده شده در شکل‌های ۷ و ۸ در واقع معادل بخش مولتی پلکس‌کننده است. توجه داشته باشید که این کلید نمادین می‌باشد و می‌تواند 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 آن را 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 آن را 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 به‌طور 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 شده است.

پایلوت سوند Pilot Sonde

اخیراً برخی سازندگان رادیوسوند یک نوع رادیوسوند کوچک با بهای پایین تر از بهای رادیوسوند معمولی تولید کردند که فاقد حسگرهای دما و نم سنجی بوده و تنها مجهز به سامانه GPS بوده که توسط آن می توان ارتفاع از سطح دریا و سمت و سرعت باد را که در کار پایلوت بالون به دست می آید، می توان به سادگی به دست آورد.

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. رادارهای باد که از سال ۱۳۴۰ هجری خورشیدی در هواشناسی ایران مورد استفاده قرار گرفت و تا سال ۱۳۷۴ هجری خورشیدی نیز کم و بیش در برخی از ایستگاه‌های هواشناسی کشور به کار می‌رفت. تصویرهای ۲۳ و ۲۴ مربوط به روزی است که به‌ کارگیری از آن‌ها و در واقع راه اندازی آن‌ها در ایستگاه مهرآباد تهران و در خرداد ماه سال ۱۳۴۰ هجری خورشیدی در حضور آقای دکتر گنجی ریاست وقت هواشناسی ایران و دیگر مسئولین و افراد مرتبط، انجام گرفته‌ است. از این رادارها برای تعیین سمت و سرعت باد در لایه‌های بالایی جوّ استفاده می‌شده‌است. با استفاده از این رادارها مشکل تعقیب بالون و رادیوسوند هنگام رفتن داخل ابر نیز حلّ شده بود. زیرا بالون با وجود رفتن داخل ابر یا پشت ابر از دسترس و دید رادار بیرون نمی شد و بر خلاف تئودولایت معمولی کار پایلوت توسط رادار باد در شرایط هوای کاملاً ابری هم امکان پذیر بود. باید یادآوری شود که امواج رادار از یک توری فلزی به شکل هرم (CORNER REFLECTOR) که در زیر بالون بسته می شد، بازتابش داشت که به این صورت امکان تعقیب بالون و رادیوسوند بوجود می آمد. در تصویر شکل ۵ یک بازتابش کننده هرمی شکل توری در پایین بالون و کف اتاق گاز قابل مشاهده می باشد. بعدها با بستن یک ورق آلومینیومی نازک با ابعاد مناسب به زیر بالون بازتابش امواج رادار را دریافت می کردند.در شکل ۲۵ تصویر رادار باد در ایستگاه هواشناسی شیراز و در شکل ۲۶ تصویر صفحه نمایش رادار باد در داخل کابین آن نشان داده شده است. یادآوری می شود که کابین رادار توسط الکتروموتور می توانسته چرخش کند و آنتن رادار نیز قابلیت چرخش در راستای قائم را داشته که به این صورت امکان دنبال کردن بالون توسط فرد یا دو نفری که در درون کابین رادار می نشستند فراهم می گردید. با دقت به تصویر شکل ۲۵ مشخص است که کابین رادار دارای یک درب است که برای وارد شدن اپراتور رادار روی آن تعبیه شده بود. دو عدد صندلی در داخل کابین وجود داشت. یک نفر برای حرکت دادن کابین و آنتن روی صندلی می نشست و دیگری زاویه های افقی یا Azimuth و قائم Elevation را در هر یک دقیقه یادداشت می کرد. از روی این زوایا و روابط مثلثاتی و با فرض ثابت بودن سرعت صعود بالون، می توانستند سمت و سرعت وزش باد را در لایه های بالایی جوّ پیدا کنند.

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 به‌کارگیری این وسیله در ایستگاه مهرآباد تهران در سال‌های دهه ۴۰ شمسی می‌باشد، به دست می‌آید. باید یادآور شویم که رادیوسوندهای مربوط به رادیوتئودولایت از جهت فرکانس فرستنده با رادیوسوندهای معمولی متفاوت بوده و در ردیف ۱۶۶۸/۴ تا ۱۷۰۰ مگاهرتز قابل تنظیم و کار می باشد. چند نمونه از رادیوسوندهای ویژه رادیوتئودولایت در تصاویر شکل های ۳۴ الی

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 امکان‌پذیر 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 امکان‌پذیر 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، به‌طور 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 توصیف‌کننده 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 به‌طور 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 آن را UNWINDER یا DEREELER می‌خوانند. در بخش بالایی نخ بازکن‌ها قلابی وجود دارد که برای بستن نخ بازکن به دهانه بالون، تعبیه شده‌است. نوع دیگری از نخ بازکن ها هستند که برای کنترل سرعت بازشدن نخ و ایجاد تأخیر کافی برای جلوگیری از بروز مشکلات یادشده در بالا، یک بادکنک در انتهای قرقره حامل نخ دارند. این بادکنک باد نمی شود و دهانه آن بر انتهای قرقره محکم شده است. نخ هنگام بازشدن به این بادکنک برخورد نموده و در واقع کمی به آن گیر می کند، به طوری که لحظه ای از باز شدن آن جلوگیری به عمل می آید که در نتیجه آن، نخ به آرامی و با تأخیر باز خواهد شد. نمونه هایی از این نوع نخ بازکن ها در تصاویر ۳۱ تا ۳۴نشان داده شده اند. همانطورکه در تصاویر ۲۷ تا ۳۴ مشخص شده، یک عدد قلاب پیچ شده در بالای نخ باز کن تعبیه شده که نخ بازکن را توسط یک نخ به دهانه بالون متصل می نماید.

Ground Check یا وسیله آزمون زمین

وسیله‌ای است که عمدتاً به منظور آزمودن رادیوسوند، پیش از ارسال به جوّ و در روی زمین به کار می‌رود. در شکل۱۸ یک نمونه از آن که توسط آن وضعیت حسگرهای دما و رطوبت از نظر سالم بودن مشخص شده و علاوه بر آن فرکانس فرستنده رادیوسوند را نیز توسط همین دستگاه که در شکل مزبور نشان داده شده، تنظیم می‌کنند.

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 رهاکننده DropSonde وجود دارد. برای بررسی لایه‌های بالاتر جوّ از راکت سوند استفاده می‌شود.

بالون‌های هواشناسی Weather Balloons

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 می نماید. 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 به وجود 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 رادیوسوند اطلاعات 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. به‌طوری‌که 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.

• سازمان هواشناسی کشور- اداره کل مهندسی و تجهیزات - اداره سامانه‌های نوین و سنجش از دور - حسین اکبر- کارشناس ارشد سامانه‌های جوّ بالا
• الف-VAISALA NEWS مجله