Misure meteorologiche

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1 Misure meteorologiche Fondamenti di Meteorologia e Climatologia Trento, 19 Aprile 2016

2 Misure di radiazione: eliofanografo L eliofanografo di Campbell-Stokes serve per misurare la durata dell insolazione solare. Il suo principio di funzionamento é molto semplice: al di sotto di una sfera di vetro é posizionata in maniera idonea una cartina graduata, in modo che essa venga bruciata in presenza di radiazione solare diretta. La forma e la dimensione delle cartine varia naturalmente a seconda delle stagioni e della latitudine alla quale lo strumento é utilizzato.

3 Misure di radiazione: eliofanografo

4 Misure di radiazione: piranometri Misurano tutta la radiazione solare, diretta e diffusa. Sono anche chiamati solarimetri. Questo strumento misura l intensitá di radiazione in funzione dell effetto di riscaldamento che essa induce su di una superficie opportunamente trattata. Nella maggior parte dei sensori la superficie sensibile é costituita da elementi alternati ricoperti di lacca bianca e nera (o solo nera in alcuni casi) collegati ad una termopila che fornisce un uscita in tensione proporzionale alla radiazione assorbita. La superficie sensibile é esposta alla radiazione attraverso una o due cupole di vetro, trasparenti alla radiazione solare ed opache a quella ad onda lunga di origine terrestre. In questo modo solo la banda spettrale della radiazione solare riesce a raggiungere l elemento sensibile.

5 Misure di radiazione: piranometri

6 Misure di radiazione: piranometri con banda ombreggiante Per misurare solo la parte diffusa della radiazione vengono utilizzati degli anelli che schermano il sensore dalla radiazione solare diretta.

7 Misure di radiazione: pireliometri Misurano solamente la radiazione solare diretta. Un sensore termico é esposto ai raggi solari sul fondo di un tubo che viene mantenuto sempre direzionato verso il sole. Usando un apertura circolare di 5.7 solo la radiazione solare diretta colpisce l elemento sensibile.

8 Misure di radiazione: pirradiometri netti Misurano sia la radiazione ad onda corta solare che quella ad onda lunga di origine terrestre. Servono per quantificare lo scambio netto di energia. Gli elementi sensibili sono anche in questo caso delle superfici nere, una posizionata orizzontalmente verso l alto ed una verso il basso. Una termopila misura la differenza di temperatura tra le due superfici e quindi lo scambio di energia. In questo caso le cupole protettive non possono essere di vetro, opaco alla radiazione ad onda lunga, ma generalmente sono di polietilene.

9 Misure di radiazione Le accuratezze richieste/tipiche: L accuratezza dei sensori di radiazione va dal 2% al 20% a seconda degli scopi e delle realizzazioni. Le fonti di errore: Errori di calibrazione Non perfetta orizzontalitá del sensore Formazione di condensa per esaurimento dei sali igroscopici Presenza di ostacoli naturali o artificiali che ombreggiano il sensore

10 Misure di temperatura: scale Per le misure di temperatura diverse scale sono comunemente in uso. La scala piú comunemente usata in Italia é la scala Celsius, che assegna 0 C alla temperatura di fusione del ghiaccio e 100 C a quella di evaporazione dell acqua. Per questo motivo é anche detta scala centigrada. L unitá di misura adottata dal Sistema Internazionale (SI) é invece il grado Kelvin, legato al grado Celsius dalla seguente relazione: T (K) = T ( C) Nei paesi anglosassoni viene utilizzato il grado Farenheit; in questa scala il punto di fusione del ghiaccio corrisponde a 32 F, mentre il punto di evaporazione dell acqua a 212 F. Poiché 100 C corrispondono a =180 F, 1 F=5/9 C

11 Misure di temperatura: termometri a mercurio Ogni materiale che cambia le proprie proprietá al variare della temperatura puó essere utilizzato come termometro. I primi termometri furono del tipo a liquido in cui si sfrutta la differenza di espansione fra il liquido stesso ed il contenitore di vetro. Il liquido contenuto in un bulbo é forzato ad espandersi lungo un asta graduata. In passato il liquido maggiormente utilizzato é stato il mercurio

12 Misure di temperatura: termometri a lamina bimetallica Questa tipologia di termometro sfrutta la deformazione che una lamina bimetallica subisce al variare della temperatura, a causa della diversa dilatazione dei due metalli che costuiscono la lamina. Un estremitá della lamina é mantenuta immobile, mentre l altra, libera di muoversi, é collegata con un pennino, che é quindi in grado di misurare le deformazioni dello strumento. Il pennino scrive quindi su una carta graduata, che viene alloggiata su un tamburo rotante.

13 Misure di temperatura: termometri a lamina bimetallica

14 Misure di temperatura: termoresistenze I conduttori cambiano la loro resistenza al variare della temperatura e pertanto possono essere utilizzati come strumenti di misura. Le termoresistenze sono costituite generalmente da fili di Pt che presentano una resistenza di 100 Ohm a 0 C. L elemento é percorso da una corrente continua molto bassa che ne limita l autoriscaldamento, motivo per cui la variazione di resistenza puó essere direttamente collegata alla variazione di temperatura. Una tipologia alternativa di termoresistenze sono i termistori, in cui il materiale utilizzato é un semiconduttore.

15 Misure di temperatura: termoresistenze Esempio di Pt 100

16 Misure di temperatura: termocoppie Le termocoppie sfruttano l effetto Seebeck, per il quale in un circuito elettrico costituito da due diversi conduttori, se le due giunzioni tra i conduttori sono a temperature diverse, viene generata una piccola differenza in potenziale. La differenza di potenziale che viene a crearsi é proporzionale a tale differenza di temperatura. Le coppie di metallo piú comunemente utilizate sono rame-costantana (lega di rame e nichel), chromel-alumel, ferro-costantana ( Seebeck) (

17 Misure di temperatura: accuratezza ed errori Le accuratezze richieste/tipiche Nei moderni termometri a resistenza l accuratezza é dell ordine di ±0.2 C (a 0 C) e puó essere mantenuta molto a lungo nel tempo, essendo poco soggetti a fenomeni di isteresi. Le fonti di errore Oltre ad eventuali errori di calibrazione del sensore, i principali fattori che influenzano le misure di temperatura sono la radiazione solare diretta e la presenza di corpi con particolari caratteristiche termiche nelle vicinanze. Per questo motivo i sensori di temperatura vengono opportunamente protetti mediante l utilizzo di: Capannine meteorologiche tipo Stevenson Schermi a ventilazione naturale Schermi a ventilazione forzata

18 Misure di temperatura: capannina Stevenson

19 Misure di temperatura: capannina Stevenson E molto importante che le schermature mantengano inalterate nel tempo le loro proprietá riflettenti che altrimenti potrebbero facilmente ridurre l attenuazione dell effetto di riscaldamento diretto del sensore di temperatura. La differente riflessione della radiazione offerta da capannine appena verniciate e capannine deteriorate dal tempo puó indurre differenze di temperatura anche di 1 C!!

20 Misure di temperatura: schermi a ventilazione naturale Sono formati da una serie di piatti di materiale plastico o metallico verniciati di bianco

21 Misure di temperatura: schermo a ventilazione forzata Viene assicurata una velocitá dell aria di circa 4 m/s all interno dello schermo per mezzo di una ventola.

22 Misure di umiditá:psicrometri Temperatura di bulbo umido o wet bulb: temperatura che si ottiene dall evaporazione di acqua nell aria umida per portarla a saturazione. Misurando la temperatura di bulbo e quella di bulbo bagnato é possibile risalire alla tensione di vapore (utilizzando anche una misura di pressione atmosferica): p v = p vs A(T a T w )p

23 Misure di umiditá:psicrometri

24 Misure di umiditá:psicrometri Gli psicrometri vengono realizzati nella loro versione moderna, utilizzando due termometri a ventilazione forzata adeguatamente protetti da uno schermo antiradiazione. Uno di questi termometri ha la parte sensibile avvolta da una garza imbevuta di acqua distillata. L aria che fluisce sulla garza induce un processo di evaporazione (viene ceduto vapore dalla garza che é satura all aria che ha invece in condizioni normali un deficit di saturazione) che a sua volta causa una diminuzione di temperatura del bulbo bagnato rispetto a quello asciutto. Qualora si utilizzino sistemi elettronici di misura le equazioni psicrometriche vengono giá implementate dalle unitá di elaborazione e restituiscono, oltre ai valori di temperatura, l umiditá relativa.

25 Misure di umiditá:psicrometri

26 Misure di umiditá: igrometro a capello Storicamente i primi igrometri furono quelli a capello che sfruttano fibre animali, quali i crini di cavallo, per muovere opportuni leveraggi che comandano un indicatore o un pennino. All aumentare dell umiditá relativa le fibre si allungano, e viceversa al suo diminuire. E importante evitare che le fibre si deteriorino, ricorrendo ad adeguati cicli di pulizia ed eventualmente sostituzione delle stesse.

27 Misure di umiditá: sensori igrocapacitivi Esistono diversi tipi di sensori di umiditá elettrici in cui un sottile strato di materiale cambia la propria capacitá al variare dell umiditá relativa (sensori igrocapacitivi). Questo tipo di sensori é quello piú comunemente usato ai giorni nostri. Il funzionamento di tali sensori si basa sulla variazione delle proprietá dielettriche di un materiale solido igroscopico rispetto all umiditá relativa dell aria. Per questo tipo di misure sono largamente usati i materiali polimerici. L acqua di legame presente nei polimeri altera infatti le sue proprietá dielettriche. La parte attiva del sensore é formata da un foglio polimerico inserito tra due elettrodi, formando cosí un capacitore. All aumentare del contenuto d acqua il polimero aumenta di volume e di conseguenza le due piastre si distanziano variando la capacitá del sistema. Questo tipo di sensori é sensibile ai fenomeni di isteresi e puó essere soggetto a fenomeni di saturazione della parte sensibile che ne richiedono poi il ricondizionamento.

28 Misure di umiditá: accuratezza ed errori Le accuratezze richieste/tipiche: L accuratezza dei moderni igrometri é dell ordine di ±1%, valida solitamente nel range 10-90%. Le fonti di errore Anche in questo caso, oltre all errata calibrazione del sensore, i principali errori nella misura dell umiditá relativa derivano da un errata esposizione del sensore e dal deterioramento delle componenti igroscopiche. Molto importanti sono gli effetti d isteresi dovuti al continuo ciclo di carico/scarico delle parti sensibili per effetto della variazione diurna dell umiditá relativa. Per questo motivo le operazioni di controllo ed eventuale ritaratura sono piú frequenti rispetto ai soli sensori di temperatura.

29 Misure di velocitá del vento: anemometri a coppe Gli anemometri a coppe furono inventati nel 1846 dall astronomo Dr. Thomas Romney Robinson. Nella configurazione oggi piú diffusa lo strumento consiste di un asta verticale da cui si dipartono orizzontalmente tre raggi che terminano ognuno con una coppa. Il vento esercita una pressione maggiore sul lato concavo delle coppe, facendo ruotare l asta che le sorregge. La forza esercitata é independente dalla direzione del vento.

30 Misure di velocitá del vento: anemometri ad elica L anemometro ad elica ha tre o quattro pale di forma elicoidale che ruotano su un asta orizzontale. L elica deve essere mantenuta sempre perpendicolare alla direzione del vento e per questo motivo questo tipo di anemometro é solitamente combinato con un sensore di direzione del vento.

31 Misure di velocitá del vento Per entrambe questi tipi di anemometri, grande importanza rivestono: il sistema meccanico di cuscinetti che facilitano la rotazione delle coppe o dell elica, il sistema di misura della velocitá di rotazione. Per quanto riguarda i cuscinetti, bisogna prevedere un loro adeguato monitoraggio e manutenzione, ovvero la presenza di idonei sistemi di riscaldamento per evitare il formarsi di ghiaccio con il conseguente blocco dello strumento.

32 Misure di velocitá del vento Vengono impiegati essenzialmente due sistemi di misura della velocitá di rotazione: Contatto open/close Sistema fotoelettrico Il primo ha il vantaggio di non consumare corrente, mentre puó causare forti sottostime per basse velocitá poiché bisogna aspettare un giro completo per avere una lettura. Il secondo consuma piú corrente, ma permette di avere una miglior risoluzione anche alle basse velocitá.

33 Misure di velocitá del vento: anemometri sonici Questo tipo di strumento é utilizzato per misurare rapide fluttuazioni della velocitá del vento, essenzialmente per misure di turbolenza. E costituito da sei trasduttori ultrasonici arrangiati in tre coppie (trasmettitore e ricevitore). Misurando il tempo impiegato da impulsi ultrasonici ad alta frequenza a percorrere la distanza tra trasmettitore e ricevitore é possibile risalire alla velocitá del vento nelle sue tre componenti, poiché la velocitá del suono in aria in movimento corrisponde alla velocitá del suono in aria ferma piú la velocitá dell aria.

34 Misure di velocitá del vento: anemometri a filo caldo L anemometro a filo caldo é costituito da un filo in materiale conduttore molto sottile, attraversato da corrente elettrica che lo scalda ad una temperatura superiore a quella dell aria. La maggior parte degli anemometri a filo caldo viene mantenuto a temperatura costante, variando la corrente elettrica. In alternativa si puó mantenere la corrente costante e lasciare che la temperatura vari in funzione della velocitá del vento.

35 Misure di velocitá del vento: errori ed accuratezza Le accuratezze richieste/tipiche Generalmente al giorno d oggi i sensori di velocitá del vento possono raggiungere con facilitá un accuratezza dell 1% della lettura. Importante poi che la soglia di funzionamento sia bassa, nell ordine di 0.2 m/s. Le fonti di errore La presenza di ostacoli nelle immediate vicinanze dell anemometro puó influire sulla misura, rallentando od accelerando localmente la corrente d aria.

36 Misure di velocitá del vento: errori Importante é tenere presente l inerzia del sistema di misura: La Distance Constant fornisce la distanza che deve percorrere l aria attraversando l anemometro perché questo abbia una risposta del 63% rispetto ad un incremento a gradino. Generalmente tale valore si aggira intorno a 5 m. L Overspeeding é invece l effetto opposto, ovvero quando le coppe o l elica continuano a ruotare nonostante sia cessato il vento. Questo effetto é difficilmente eliminabile e si verifica specialmente in presenza di raffiche.

37 Misure di direzione del vento Come noto il vento non é caratterizzato solamente dalla sua velocitá, ma anche dalla sua direzione, ed il dato puó definirsi completo quando le contiene entrambe Naturalmente la direzione del vento deve essere riferita ad un qualche sistema di riferimento opportuno. In meteorologia si indica solitamente la direzione di provenienza del vento rispetto al Nord e la si indica come N.

38 Misure di direzione del vento: la banderuola Lo strumento utilizzato per misurare la direzione del vento é la banderuola. Spesso il sistema anemometro-banderuola é del tipo integrato, cosí da costituire un sensore particolarmente compatto.

39 Misure di direzione del vento: la banderuola La banderuola ruota intorno ad un asse verticale ed é caratterizzata dal non avere una posizione preferenziale e dal presentare un unica posizione di equilibrio per una data direzione del vento. Importante notare come la banderuola indichi la vera direzione del vento solamente nel caso in cui questo sia stazionario, ovvero non cambi nel tempo. Nella realizzazione delle banderuole deve essere trovato un compromesso che consenta allo strumento di cambiare posizione senza eccessivo ritardo a seguito di un cambiamento di direzione del vento, senza peró superare la posizione della vera direzione del vento (overshooting).

40 Misure di direzione del vento: la banderuola Anche nel caso delle banderuole, grande importanza rivestono: il sistema meccanico di cuscinetti che facilitano la rotazione della banderuola il sistema di misura della posizione angolare della banderuola Nel primo caso si procederá come per gli anemometri a coppe mediante un adeguato monitoraggio e manutenzione dei cuscinetti.

41 Misure di direzione del vento: la banderuola Nel secondo caso vengono impiegati essenzialmente due sistemi: resistenza variabile decoder gray Il primo ha il vantaggio di essere molto semplice ma puó portare a rapida usura della resistenza qualora la direzione oscillasse frequentemente intorno ad una data posizione. Il secondo consuma piú corrente del primo, ma anche in questo caso consente di avere una miglior risoluzione.

42 Misure di direzione del vento: errori Le accuratezze richieste/tipiche L accuratezza si aggira solitamente intorno a ±2 ed é piú che sufficiente per le normali applicazioni meteorologiche. Le fonti di errore Nelle misure di direzione del vento la fonte di errore piú importante é solitamente costituita da un errato posizionamento del riferimento interno del sensore (solitamente rivolto a Nord)

43 Misure di pressione atmosferica: Torricelli La prima misura di pressione atmosferica venne condotta nel 1644 da Evangelista Torricelli. Egli utilizzó un tubo lungo 1 m e di sezione 1 cm 2, sigillato ad un estremitá. Riempí il tubo di mercurio e lo mise, con l apertura rivolta verso il basso, in una bacinella piena anch essa di mercurio. Osservó che il tubo non si svuotava, ma rimaneva una colonna di mercurio alta 760 mm.

44 Misure di pressione atmosferica: barometri a mercurio I barometri a mercurio piú utilizzati vennero utilizzati soprattutto nell Ottocento e nei primi anni del Novecento: Barometro Kew Barometro Fortin

45 Misure di pressione atmosferica: barometri ad aneroide Il barometro ad aneroide (senza liquido) é costituito da una capsula circolare di diametro 5 cm e spessore 3 mm in cui é stato praticato il vuoto. La capsula é formata da metallo corrugato, che viene compressa o rilassata al variare della pressione atmosferica. Un sistema di leve e ingranaggi trasmettono poi questo movimento ad un indice in modo da poter visualizzare la pressione su una scala graduata. Questo sistema puó anche essere utilizzato per muovere un pennino e visualizzare l andamento della pressione su un foglio graduato alloggiato su un tamburo rotante (barografo).

46 Misure di pressione atmosferica: barometri elettronici Negli strumenti moderni l elemento sensibile é costituito da un diaframma di silicio che chiude una cavitá in cui é fatto il vuoto. La pressione atmosferica induce una deformazione di tale diaframma cosí da alterarne le proprietá elettriche opportunamente rilevate da un ponte di resistenze. Questi sensori sono caratterizzati da bassi consumi, tempi di risposta solitamente ridotti (hanno una bassa inerzia intrinseca) e dimensioni molto contenute.

47 Misure di pressione atmosferica: accuratezza ed errori Le accuratezze richieste/tipiche: Nei barometri elettronici la risoluzione e l accuratezza devono essere di 0.1 hpa. Negli altri casi si puó arrivare a 0.3 hpa. Le fonti di errore: Una prima sorgente da escludere é l eventuale errore nella calibrazione. Per i barometri elettronici, la maggior fonte di errore é data dagli effetti indotti dalla temperatura sul comportamento meccanico del diaframma in silicio. Quando il barometro é racchiuso nell alloggiamento dell acquisitore senza opportune vie di comunicazione con l esterno, il tempo di risposta del sensore puó risultare artificiosamente allungato (anche se la pressione atmosferica é una grandezza che varia lentamente...). Anche gli effetti dinamici del vento possono influenzare le misure di pressione.

48 Misure di evaporazione: la variabile E il processo opposto alla condensazione e precipitazione, ovvero la trasformazione di una sostanza dallo stato liquido a quello gassoso. Solitamente si misura l altezza di acqua che ritorna all atmosfera per evaporazione da una superficie orizzontale nell unitá di tempo. Le unitá di misura piú utilizzate sono quindi mm/h, mm/d, cm/d.

49 Misure di evaporazione: vasca evaporimetrica Il sistema di misura piú diffuso e consigliato dalle norme WMO é quello mediante vasca evaporimetrica di forma circolare sopraelevata rispetto al terreno (classe A) La misura di evaporazione viene effettuata confrontando in un intervallo di tempo assegnato il livello del pelo libero nella vasca e tenendo conto delle eventuali precipitazioni. Il livello del pelo libero viene rilevato mediante un trasduttore di pressione posto sul fondo della vasca all interno di un apposito pozzetto di calma che smorza le oscillazioni della superficie dovute a fattori esterni quali l azione meccanica del vento.

50 Misure di evaporazione: vasca evaporimetrica

51 Misure di evaporazione: accuratezza ed fonti di errore Le accuratezze richieste/tipiche Grazie all utilizzo di circuiti integrati di precisione per la misura del livello del pelo libero nella vasca, l incertezza che si puó ottenere é dell ordine di ±0.1mm. Le fonti di errore Non perfetta orizzontalitá della vasca Errata taratura del sensore di livello o mancata compensazione degli effetti della temperatura Presenza di alghe, impuritá o film superficiali nella vasca Presenza di impianti irrigui che non sono peró visti dal pluviometro

52 Misure di precipitazione: la variabile Le precipitazione includono la pioggia, la pioviggine, la neve e la grandine, ma non la condensazione del vapor d acqua come la nebbia, la rugiada o la brina. La precipitazione totale é la somma di tutto il liquido raccolto (anche per la fusione di precipitazioni solide) espresso come lo spessore che coprirebbe su una superficie piana, senza perdite per evaporazione, scorrimento superficiale o infiltrazione nel terreno.

53 Misure di precipitazione: pluviometri totalizzatori Il pluviometro totalizzatore é costituito semplicemente da un imbuto che raccoglie la precipitazione in un recipiente graduato. La lettura dello strumento viene effettuata ad intervalli regolari. Mediante questo strumento si ha solo la somma della precipitazione tra due letture, ma non una caratterizzazione temporale della precipitazione.

54 Misure di precipitazione: pluviometri a bilancia I pluviometri a bilancia sono in grado di pesare ad intervalli regolari l acqua raccolta.

55 Misure di precipitazione: pluviometri a bascula Nei pluviometri a bascula la precipitazione viene raccolta da un imbuto opportunamente sagomato e convogliata ad un sistema a bascula tarato in modo che ad ogni oscillazione intorno alla posizione di equilibrio corrisponda un certo ammontare di precipitazione, generalmente 0.1 o 0.2 mm che costituiscono cosí la risoluzione dello strumento.

56 Misure di precipitazione: pluviometri a bascula Le superfici dell imbuto sono solitamente rivestite di materiale antiaderente (teflon) cosí da facilitare lo scorrimento delle gocce d acqua anche nel caso di fenomeni di debole intensitá ed evitandone l evaporazione. Alla base dell imbuto sono generalmente posti dei filtri per evitare che impuritá di vario genere vadano a compromettere la funzionalitá della bascula. Qualora vi fosse la possibilitá di precipitazioni a carattere nevoso o fenomeni di ghiacciamento, il pluviometro deve essere fornito di un idoneo sistema di riscaldamento automatico. In questo caso la precipitazione nevosa viene considerata come pioggia equivalente.

57 Misure di precipitazione: accuratezza e fonti di errore Le accuratezze richieste/tipiche L accuratezza richiesta ai moderni pluviometri é dell ordine di ± 0.1 mm per precipitazioni inferiori ai 5 mm, ± 2% oltre i 5 mm. Le fonti di errore I fattori che possono portare ad un errata misura della precipitazione sono: Non perfetta orizzontalitá della bascula Azione del vento intorno alla bocca del sensore Bagnatura delle pareti dell imbuto Effetto splash dall esterno verso il sensore e viceversa Evaporazione indotta nel caso di modeste precipitazioni Presenza di ostacoli Altezza della bocca dal suolo non adeguata