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Mediciones de la Altura de la
Base de Nubes
Claudio Porrini
Principios Básicos de Mediciones Atmosféricas- Curso 2011
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.
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.
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.
Arquitectura LIDAR
TRANSIMISOR
FUENTE DE
RADIACIÓN
RECEPTOR
DETECCIÓN DE
LUZ
SISTEMA DE
CONTROL Y
ADQUISICIÓN
DE DATOS
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.