Radiosondáž

Jak radiosondáž měří atmosféru

Radiosondáž je měření vlastností atmosféry pomocí radiosondy, přístroje zavěšeného pod balonem. Radiosonda během výstupu opakovaně měří teplotu a vlhkost vzduchu, podle provedení také tlak, a své údaje vysílá rádiem na zem. Z její polohy a pohybu získáváme výšku a vítr. Uspořádáním těchto údajů podle výšky vzniká výškový profil, tedy záznam toho, jak se vlastnosti atmosféry mění směrem vzhůru. (GRUAN, kapitola 2)

Podrobně si postup vysvětlíme na sondě Vaisala RS41-SGP, která má čidla teploty, vlhkosti i tlaku. Balon ji dopravuje do vyšších vrstev, elektronika odečítá čidla a pozemní přijímač shromažďuje vysílaná data. Provedení sondy a zpracování jejích údajů popisuje metodická dokumentace Sommera a spoluautorů z roku 2023.

Přístroj pod balonem

Balon je naplněný vodíkem nebo heliem. Tyto plyny mají menší hustotu než okolní vzduch, takže vztlak může zvednout balon i zavěšenou sondu. Při výstupu tlak okolního vzduchu klesá a plyn uvnitř balonu se rozpíná. Obal se postupně napíná, až praskne. Sonda potom klesá, zpravidla s padákem. Pozemní anténa přijímá její údaje během letu, jak ukazuje popis provozu americké meteorologické služby.

Teplotní a vlhkostní čidlo vyčnívají na raménku z těla sondy přímo do proudícího vzduchu. Elektronika, baterie a přijímač družicové navigace jsou chráněné uvnitř. Dlouhý závěs odděluje sondu od balonu, aby čidla měřila vzduch co nejméně ovlivněný jeho povrchem. Při stoupání kolem čidel stále proudí nový vzduch z právě procházené vrstvy. Kapitola 2 dokumentace zachycuje uspořádání i jednotlivé součásti.

Jak získáme teplotu, vlhkost a tlak

Každé čidlo převádí působení okolního vzduchu na změnu elektrické vlastnosti, kterou umí elektronika odečíst. Aby z ní vznikl údaj ve stupních nebo procentech, potřebujeme kalibraci. V laboratoři vystavíme čidlo známým podmínkám a jeho odečty porovnáme s referenčními přístroji. Z těchto porovnání stanovíme vztah, podle kterého pak převádíme odečet při letu na měřenou veličinu. (Vaisala, kapitoly 2–4)

Referenční teploměry a vlhkoměry výrobce mají doložený řetězec porovnání až k jednotkám mezinárodní soustavy SI. Tato metrologická návaznost umožňuje spojit údaj konkrétní sondy se společnou měřicí stupnicí. Každé porovnání přitom zahrnuje vlastní nejistotu. Dokumentace výrobce, kapitoly 2 a 3, popisuje použité reference. Metrologický slovník VIM odlišuje kalibraci, která vztah zjišťuje, od seřízení, které odezvu přístroje mění.

Teplotní čidlo RS41 využívá platinu, jejíž elektrický odpor s oteplením roste. Odpor vyjadřuje, jak silně materiál brání průchodu elektrického proudu. Elektronika odečte odpor a podle kalibračního vztahu mu přiřadí teplotu čidla. Protože čidlo přijímá a odevzdává teplo okolnímu vzduchu, jeho teplota sleduje teplotu procházené vrstvy. Samotný princip podrobněji vysvětluje odporová termometrie, provedení sondy kapitola 2 dokumentace RS41.

Vlhkostní čidlo zjišťuje relativní vlhkost, značenou RH z anglického relative humidity. Vodní pára tvoří část vzduchu a přispívá k jeho tlaku. Relativní vlhkost porovnává tento příspěvek s tlakem páry při nasycení za téže teploty. Při nasycení je pára v rovnováze s kapalnou vodou, do které se vrací stejné množství molekul, jaké se z ní vypařuje. Poměr vyjádřený v procentech říká, jak blízko je vzduch tomuto stavu. Tlak při nasycení s teplotou roste, a proto údaj o relativní vlhkosti vždy patří k určité teplotě. (NIST, oddíl 3)

Čidlo obsahuje tenkou vrstvu polymeru, látky tvořené dlouhými molekulovými řetězci, mezi dvěma vodivými vrstvami. Polymer přijímá a uvolňuje vodu podle relativní vlhkosti okolí. Přijatá voda mění elektrickou kapacitu, tedy množství náboje, které se v čidle uloží při daném napětí. Elektronika změnu kapacity odečte a kalibrační vztah ji převede na relativní vlhkost u povrchu čidla. Podrobnější vysvětlení nabízí hygrometrie. (GRUAN, oddíl 2.1.3.2)

Vlhkostní prvek RS41 se za letu vyhřívá, aby na něm voda nekondenzovala a nenamrzala. Je proto teplejší než okolní vzduch a má vlastní teplotní čidlo. Software z jeho teploty a relativní vlhkosti určí tlak vodní páry. Ten potom porovná s tlakem při nasycení za teploty okolního vzduchu, kterou dodá platinový teploměr. Tak získá relativní vlhkost procházené vrstvy. Z týchž údajů lze dopočítat rosný bod, tedy teplotu, při níž by ochlazovaný vzduch za stejného tlaku a obsahu páry dosáhl nasycení. Tento převod popisuje kapitola 3 dokumentace RS41.

Tlakové čidlo varianty RS41-SGP má tenkou křemíkovou membránu nad uzavřenou dutinou. Tlak okolního vzduchu membránu prohýbá. Tím se mění vzdálenost vodivých ploch v čidle, a tedy i jejich elektrická kapacita. Převod určený při známých tlacích a teplotách poskytne tlak vzduchu. V meteorologii jej běžně udáváme v hektopascalech, značka hPa, přičemž jeden hektopascal je sto pascalů. Oddíl 2.1.3.3 popisuje konstrukci tohoto čidla.

Před vypuštěním projde sonda pozemní přípravou. Obsluha ověří její funkci, ohřev odstraní nečistoty z vlhkostního prvku a umožní zkontrolovat jeho odezvu při téměř nulové relativní vlhkosti. Tlakové čidlo se porovná s barometrem, přístrojem pro měření tlaku na stanici. Do systému se zadá poloha stanice a výšky referenčních přístrojů, aby pozemní a letová měření používala společný výškový základ. Průběh přípravy uvádí oddíl 3.2 dokumentace.

Kde sonda měří a jak určuje vítr

Ke každému odečtu potřebujeme znát místo měření. Přijímač družicového systému GPS, anglicky Global Positioning System, sleduje časování signálů několika družic. Z doby jejich cesty a známých poloh družic určuje polohu sondy. Opakovaná určení polohy poskytují zeměpisnou šířku, délku a výšku podél celé dráhy letu. (GRUAN, příloha D.1)

Výška z GPS se nejprve vztahuje k referenčnímu elipsoidu, hladké ploše, která matematicky přibližuje tvar Země. Software ji pomocí modelu střední mořské hladiny převede na nadmořskou výšku. V meteorologických souborech se navíc často používá geopotenciální výška. Ta upravuje výškovou souřadnici podle toho, že tíhové zrychlení není ve všech zeměpisných šířkách a výškách stejné. Díky tomu lze při výpočtech s tíhou vzduchu používat jednu standardní hodnotu tíhového zrychlení. Udává se v geopotenciálních metrech, značka gpm. Je blízká běžné nadmořské výšce a rovněž se vztahuje k hladině moře, nikoli k místu startu. Převody popisuje dokumentace na straně 23.

Vítr získáváme z vodorovného pohybu sondy. Balon se nechává unášet okolním vzduchem, a proto jeho posun za známý čas poskytuje rychlost a směr proudění. Software odděluje plynulý pohyb soupravy od kývání sondy na závěsu a od drobných výkyvů navigačních údajů. Svislý pohyb má jiný význam: výstup zajišťuje i vlastní vztlak balonu, takže rychlost stoupání není přímo rychlostí svislého proudění vzduchu. (GRUAN, oddíl 4.4.3)

Konkrétní výpočet větru se liší podle zpracování. Software výrobce využívá spolu s polohou také Dopplerův jev, změnu přijímané frekvence družicových signálů způsobenou vzájemným pohybem. Referenční síť výškových měření GRUAN, GCOS Reference Upper-Air Network, počítá vítr ze změn vyhlazených souřadnic za čas. Vyhlazení potlačí rychlé výkyvy a zachová pomalejší pohyb soupravy. Strana 24 a oddíl 4.4.3 rozlišují oba postupy. GRUAN je součástí globálního systému sledování klimatu a poskytuje také podrobný postup zpracování s vyčíslenými nejistotami.

Jak vznikne hotový profil

Pozemní software spojuje přijaté odečty čidel s časem a polohou. Součástí převodu na teplotu vzduchu je i oprava ohřevu čidla slunečním zářením, nazývaná radiační korekce. Její základ vzniká v laboratoři: čidlo se ozařuje při různém tlaku a proudění a zjišťuje se, o kolik se ohřeje nad teplotu vzduchu. Při letu software tento vztah použije spolu s odhadem osvětlení a větrání čidla. Odhadnutý příspěvek slunečního ohřevu od naměřené teploty odečte. (GRUAN, oddíl 4.1)

Další zpracování se týká rychlosti odezvy. Čidlo potřebuje určitý čas, aby se přizpůsobilo nové vrstvě, kterou sonda právě prolétá. Referenční postup GRUAN využívá laboratorně zjištěnou dobu reakce vlhkoměru k opravě tohoto zpoždění. Údaj přiřazený dané výšce tak lépe odpovídá místní vlhkosti. Použité vztahy, vstupy a pořadí výpočtů jsou popsány v oddílech 4.1, 4.2 a kapitole 7.

Výsledkem je soubor, jehož jednotlivé záznamy spojují čas, výšku, polohu a naměřené či dopočítané veličiny. Zvolíme-li teplotu a vyneseme ji proti výšce, dostaneme teplotní profil. Ukáže, ve kterých vrstvách se směrem vzhůru ochlazuje a kde naopak otepluje. Stejným způsobem lze číst změny vlhkosti nebo větru. Jednotlivé body vznikají postupně během letu na místech, kam sondu unáší vítr. (GRUAN, kapitola 7)

K porovnání dvou výšek můžeme vypočítat průměrnou změnu teploty na kilometr. Od teploty v horním bodě odečteme teplotu v dolním bodě a rozdíl ΔT vydělíme rozdílem výšek ΔH. Jestliže teplotní rozdíl vyjádříme ve stupních Celsia a výškový rozdíl v kilometrech, podíl $\frac{\Delta T}{\Delta H}$ má jednotku °C/km. Záporný výsledek označuje ochlazování směrem vzhůru, kladný oteplování. U geopotenciální výšky odpovídá kilometr tisíci gpm. Tento podíl charakterizuje celou vybranou vrstvu, uvnitř ní se sklon profilu může měnit.

Místo výšky může svislou polohu určovat tlak. Tlaková hladina je úroveň se zvoleným tlakem vzduchu. Její výška se mění podle stavu atmosféry, takže umožňuje porovnávat měření při stejném tlaku i tehdy, když se nacházejí v různých nadmořských výškách. Převody vysvětluje měření tlaku a hydrostatické výšky. (GRUAN, oddíl 4.4.2)

Využití opakovaných sondáží

Profily odhalují také teplé vrstvy nad povrchem během veder. Příklady z Francie a Ruska uvádí pozorování vln veder.

Jednotlivý profil zachycuje stav atmosféry během letu. Pro klimatologii spojujeme opakované výstupy z mnoha stanic a porovnáváme stejné tlakové hladiny či výšky ve srovnatelných termínech. Tak lze sledovat dlouhodobé změny popsané v článcích Teplota stratosféry a Vlhkost atmosféry. (Free a kol., metody)

Integrovaný globální radiosondový archiv, IGRA, shromažďuje měření z různých stanic a kontroluje jejich kvalitu. Pro dlouhodobá porovnání na tuto kontrolu navazuje homogenizace. Ta pomocí historie stanic a porovnání měření hledá a upravuje skoky způsobené změnami přístrojů nebo provozu. Postup rozvádí kontrola kvality a homogenizace.

Konkrétní klimatické zpracování představili Freeová a spoluautoři v roce 2005. Z měření 85 stanic sestavili oblastní průměry teplotních odchylek na třinácti tlakových hladinách pro období 1958–2004. Odchylka vyjadřuje rozdíl proti zvolenému dlouhodobému průměru, takže ukazuje, jak se teplota v čase mění. Výsledkem je soubor RATPAC, Radiosonde Atmospheric Temperature Products for Assessing Climate, určený ke sledování vývoje teploty atmosféry. Práce dokládá výběr vstupů a úpravy nehomogenit. Sonda zde poskytuje místní měření, jejich souhrn a následné zpracování umožňují sledovat změny klimatu.

Rádiový přenos a provedení bez tlakového čidla

Rádiový přenos umožnil získávat údaje už během letu balonu. Jedno z raných praktických řešení popsali Diamond, Hinman a Dunmore v roce 1938. Jejich přístroj převáděl odezvu čidel na změny frekvence signálu, kterým byl upravován rádiový přenos. Tlakem ovládaný přepínač postupně zapojoval jednotlivá čidla a přidával značky pro tlakovou stupnici. Pozemní přístroj signál zapisoval do grafu, sledování směru přicházejícího vysílání pomáhalo určit vítr. Studie obsahuje zapojení, kalibraci i skutečný záznam letu. Dnešní sondy používají digitální přenos a družicovou navigaci.

Družicové určení výšky umožňuje také konstrukci bez tlakového čidla, například RS41-SG. Výchozí tlak dodá barometr na stanici. Z něj se postupuje vzhůru po tenkých vrstvách, jejichž tloušťku známe z navigace a teplotu a vlhkost z čidel. Výpočet předpokládá hydrostatickou rovnováhu: rozdíl tlaku mezi dolní a horní hranicí vrstvy vyvažuje tíhu vzduchu uvnitř. Z vlastností vrstvy tak můžeme určit, o kolik v ní tlak klesne. (GRUAN, oddíl 4.4.2)

Teplota a vlhkost vstupují do výpočtu proto, že ovlivňují hustotu vzduchu, a tedy hmotnost dané vrstvy. Jejich společný vliv vyjadřuje virtuální teplota. Je to teplota, kterou by měl suchý vzduch se stejným tlakem a hustotou jako měřený vlhký vzduch. Díky tomuto přepočtu můžeme použít vztah pro suchý vzduch i tehdy, když obsahuje vodní páru. (GRUAN, oddíl 4.4.2)

Pro vrstvu s přibližně stálou virtuální teplotou platí v geopotenciální výšce:

Tlaky $p_0$ a $p_1$ patří dolní a horní hranici vrstvy a dosazují se ve stejných jednotkách. ΔH je rozdíl geopotenciálních výšek v gpm. Standardní tíhové zrychlení g₀ má hodnotu 9,80665 m/s² a měrná plynová konstanta suchého vzduchu R_d přibližně 287,05 J/(kg·K). Tato konstanta spojuje v plynovém zákonu tlak, hustotu a teplotu suchého vzduchu. T_v je virtuální teplota v kelvinech. Teplotu v kelvinech získáme přičtením 273,15 k údaji ve stupních Celsia. Značka exp označuje exponenciální funkci. Záporný výraz v jejím argumentu zajistí, že při postupu vzhůru dostaneme menší tlak. (GRUAN, oddíl 4.4.2)

Vypočtený tlak na horní hranici se stane výchozím tlakem pro další vrstvu. Postup opakujeme s její teplotou a vlhkostí až do konce profilu. Oddíl 4.4.2 dokumentace GRUAN uvádí výpočet s geometrickou výškou a místním tíhovým zrychlením, který vychází ze stejné rovnováhy. Obě provedení sondy tedy poskytují tlakový profil, jedno z tlakového čidla a druhé výpočtem z výšky a vlastností vzduchu.

Nejistoty a ověření měření

Výsledek nejvíce ovlivňují ohřev čidel sluncem, rychlost jejich reakce a podmínky letu. Korekce tyto vlivy omezují, jemné přechody mezi vrstvami však mohou zůstat vyhlazené. Porovnání dvaceti společných letů RS41 a RS92 v Oklahomě zjistilo pod 28 km velikost mediánu teplotního rozdílu nejvýše 0,13 °C. Medián je prostřední hodnota rozdílů mezi sondami po jejich seřazení v dané výšce. Takové porovnání ověřuje vzájemnou shodu za podmínek kampaně, společnou chybu obou přístrojů může přehlédnout.

Skutečný profil z Prahy-Libuše

Na měření z 1. ledna 2025 si ukážeme, jak číst teplotní profil a vypočítat změnu teploty ve vybrané vrstvě. Použijeme vzestupnou část letu z měsíčního archivu Českého hydrometeorologického ústavu, ČHMÚ. Sonda odstartovala v 11:15:10 UTC, tedy koordinovaného světového času. Pozorování je zařazené k termínu 12:00 UTC, jednotlivé údaje však mají vlastní časy podle toho, kdy sonda danou vrstvou prolétla. Soubor obsahuje 5 059 záznamů a končí po 87 minutách a 34 sekundách ve výšce 34 806,7 gpm.

Pracujeme se zveřejněnými fyzikálními veličinami, které už prošly zpracováním a měsíční validací ČHMÚ. Soubor neuvádí typ konkrétní sondy, její elektrické odečty, kalibrační koeficienty ani verzi původního zpracování. Popis RS41 výše tedy vysvětluje reprezentativní přístroj, nedokládá vybavení tohoto letu. Zopakujeme výběr a výpočet ze zveřejněných hodnot.

Tabulka vybírá osm okamžiků letu. Každý řádek spojuje čas od vypuštění, geopotenciální výšku a teplotu v daném místě. Úplný profil obsahuje podle popisu formátu ČHMÚ také tlak, vlhkost, rosný bod, vítr a zeměpisné souřadnice.

Graf ukazuje celý teplotní profil. Pro výpočet zvolíme vrstvu mezi desátou a dvacátou minutou letu, vyznačenou oranžovými body. V dolním bodě byla teplota −10,1 °C a výška 4 086,4 gpm. V horním bodě sonda naměřila −37,9 °C ve výšce 8 224,2 gpm. Rozdíl teplot je tedy −27,8 °C a rozdíl výšek 4 137,8 gpm, neboli 4,1378 geopotenciálního kilometru. Podílem obou rozdílů dostaneme:

Výsledek −6,72 °C/km říká, že ve vybrané vrstvě připadal na kilometr výšky průměrný pokles teploty o 6,72 °C. ΔT označuje rozdíl horní a dolní teploty, ΔH rozdíl jejich výšek. Jde o prostorovou změnu podél dráhy sondy během tohoto letu.

Dráhu můžeme sledovat i v zeměpisných souřadnicích. Od startu do posledního záznamu se délka změnila z 14,44690° na 17,65844° východní délky a šířka z 50,00780° na 50,24151° severní šířky. Sonda tedy během výstupu postupovala převážně na východ. Profil spojuje měření z těchto postupně navštívených míst. (ČHMÚ: původní profil)

Shrnutí