Radiosonde
 
Een radiosonde is een telemetrie-instrument op batterijen dat gewoonlijk door een weerballon in de atmosfeer wordt gedragen, dat verschillende atmosferische parameters meet en deze per
radio naar een grondontvanger verzendt. Moderne radiosondes meten of berekenen de volgende variabelen: hoogte, druk, temperatuur, relatieve vochtigheid, wind (zowel windsnelheid als windrichting), kosmische straling op grote hoogte en geografische positie (breedte / lengte). Radiosondes die de ozonconcentratie meten, worden ozonesondes genoemd.

Radiosondes kunnen werken op een radiofrequentie van 403 MHz of 1680 MHz. Een radiosonde waarvan de positie wordt gevolgd terwijl deze stijgt om informatie over windsnelheid en richting
te geven, wordt een rawinsonde ("radarwind-sonde") genoemd. De meeste radiosondes hebben radarreflectoren en zijn technisch onbewerkt. Een radiosonde die uit een vliegtuig valt en valt,
in plaats van gedragen te worden door een ballon, wordt een dropsonde genoemd. Radiosondes zijn een essentiële bron van meteorologische gegevens en er worden dagelijks honderden over
de hele wereld gelanceerd.
 

Meteograaf gebruikt door het
Amerikaanse weerbureau in 1898
 

Radiosonde Vaisala RS92-SGPD (links) en zijn opvolger, de RS41-SGP (rechts). Het KNMI en KMI zijn in 2016/2017 overgeschakeld van de RS92 naar de RS41.
 

Onderdelen op de radiosonde
 
Geschiedenis  
 
Sinds het begin van de jaren 1890 droegen onbemande weerballonnen, zogenaamde opnameballonnen, zelfregistrerende meetinstrumenten de open atmosfeer in. In vergelijking met bemande ballonvluchten hadden deze een duidelijk kostenvoordeel. Daarnaast konden hoogtes worden bereikt die ondanks de zuurstoftoevoer niet toegankelijk waren voor mensen in de open mand.
De gemeten waarden konden echter alleen met een vertraging worden uitgelezen en alleen wanneer het instrument dat naar de grond was teruggekeerd, werd gevonden. Een van de pioniers
van atmosferisch geluid met weerballonnen was de Duitse meteoroloog Hugo Hergesell. Als hoofd van de Internationale Commissie voor Wetenschappelijke Luchtvaart riep hij op tot de bouw
van lichtere ballon-compatibele instrumenten. Toen hij al vroeg het potentieel van draadloze telegrafie inzag, deed hij al in 1908 pogingen om opnames van opname-balloninstrumenten via de
radio te verzenden, maar dat mislukte vanwege de nog steeds ontoereikende technische mogelijkheden. De naam "radiosonde" gaat terug naar Hergesell.
 
In 1917 slaagden Max Robitzsch en Friedrich Herath (1889–1974) in Duitsland en Pierre Idrac (1885–1935) in Frankrijk erin om metingen van instrumenten die aan weervliegers waren bevestigd via vliegerdraad naar de grond te sturen. Vliegers konden echter niet vooruitgaan naar de hoogte die door weerballonnen kon worden bereikt, en ze konden niet onder alle weersomstandigheden worden gebruikt.
 
In 1921 begon Paul Duckert (1900–1966) bij de Lindenberg Aeronautical Observatory, waarvan de directeur nu Hergesell was, zich bezig te houden met de ontwikkeling van de radiosonde. Een eerste stap in 1926 was het dubbel richten van een radiozender die aan de ballon was bevestigd om zijn vliegbaan en snelheid te bepalen. Vergelijkbare experimenten werden uitgevoerd door William Blair in de Verenigde Staten. Eind jaren twintig werkten verschillende meteorologen met de eerste prototypes van radiosondes.
 
De eerste echte radiosonde werd in 1924 gelanceerd door William Blair. Hij ontving radiosignalen van een ballon en gebruikte de temperatuurafhankelijke verandering in deze signalen om de temperatuur op vlieghoogte te schatten. Niettemin schrijven veel historici de eerste radiosonde-lancering toe aan de sondes van Robert Bureau of Pawel Moltschanow, die direct gemeten waarden in radiosignalen omzetten. Op 7 januari 1929 startte Robert Bureau (1892–1965) een radiosonde in Trappes, die temperatuurwaarden uitzond vanuit de vrije atmosfeer.
In de lente van hetzelfde jaar voegde hij een barometer toe aan de sonde. De Sovjet-meteoroloog Pawel Moltschanow (1893–1941), wiens radiosonde, die voor het eerst met succes werd gelanceerd op 30 januari 1930, de standaard werd voor toekomstige ontwikkeling, wordt vaak beschouwd als de uitvinder van de radiosonde. De sonde heeft temperatuur en druk gemeten en de waarden gecodeerd als morse-symbolen naar de ontvanger verzonden. Duckert volgde op 22 mei 1930 met een onafhankelijk ontwikkelde sonde die zowel temperatuur en druk als vochtigheid kon meten. De sonde gaf meetwaarden door totdat de ballon barstte op een hoogte van meer dan 15 km.
 
Tijdens de Arctische reis van de Zeppelin LZ 127 lanceerde Moltschanow in juli 1931 verschillende radiosondes. De nieuwe technologie werd uitgebreid en systematisch gebruikt in het International Polar Year 1932/33. De Fin Vilho Väisälä, die op 30 december 1931 zijn eerste radiosonde lanceerde, begon in 1936 met commerciële productie.
 
Sensor en coderingsgedeelte van een oudere radiosonde
uit de jaren 60
 
Bureau of Standards Personnel lanceerde in 1936 een radiosonde in de buurt van Washington, DC
 
Amerikaanse zeelieden lanceren een radiosonde tijdens de Tweede Wereldoorlog
 
De radiosonde werd in 1942 verder ontwikkeld door de Berliner Josef Graw. De omzetting van de gemeten waarden in Morse-symbolen vindt plaats in de Graw-sonde doordat de wijzers van de meetinstrumenten een patroon van geleidend materiaal scannen dat wordt aangebracht op een roterende rol, de Graw's Morse-rol.\

Het sensor- en coderingsgedeelte van een radiosonde uit de jaren zestig is rechts te zien
 
- Temperatuursensor (boven, bimetaal)
- Drukmeetcel (links onder de plaatmetalen beugel)
- Tijdbasis (uurwerk zakhorloge, buiten rechts)
- Encoder voor temperatuur en vochtigheid (rode PVC-cilinder met rijdraadspiraal)
- Encoder voor luchtdruk (staaf van hard papier met contactstrips, rechts achter de cilinder)
- De vochtsensor (haarhygrometer), de batterij en de telemetriezender (UHF buiszender met triode) zijn niet te zien op de foto.
 
Techniek
 
(P) TU-sondes
Sensoren op de radiosonde meten verschillende parameters zoals luchtdruk (P), temperatuur (T) en vochtigheid (U) terwijl de ballon stijgt en sturen deze meetgegevens continu via radiogegevensoverdracht naar het grondstation. Het meten van de luchtdruk is nu alleen nog bij veel sondes een optie, aangezien de rekenkundige bepaling op basis van de gps-hoogte de
meting in veel gevallen overbodig maakt. Speciale sensoren kunnen ook de ozonconcentratie of straling meten.
 
Wind- / pilootsondes
Naast de (P) TU sondes zijn er ook zogenaamde wind- of pilootprobes, die gebruikt kunnen worden in plaats van de eerder optisch gevolgde pilootballonnen of windstijgingen (ballon met radarreflector maar zonder radiosonde). Het is alleen een kwestie van de windrichting en -snelheid registreren. Deze sondes zijn navenant eenvoudiger en dus goedkoper gemaakt, omdat er
geen sensoren en hun signaalverwerking beschikbaar zijn. Sommige modellen zijn bijzonder licht en eenvoudig, maar zijn daarom alleen geschikt voor metingen in de troposfeer
(lage batterijcapaciteit, lager zendvermogen etc.).
 
Temperatuursondes
Temperatuursondes zijn tegenwoordig praktisch irrelevant. Als enige meetgrootheid hebben ze alleen de temperatuur overgedragen. Gewoonlijk waren het heel eenvoudige elektronische
analoge schakelingen die de frequentie van een toon veranderden in overeenstemming met de temperatuur en deze via een kleine zender frequentie-gemoduleerd naar het grondstation stuurden. Tracking was alleen mogelijk via radar met behulp van geschikte reflectoren.
 
Bepaling van de wind
Conventionele radiosondes gebruiken een GPS-ontvanger om de positie te bepalen; de positiegegevens worden continu verzonden via de radio. Dit kan worden gebruikt om de windrichting van
de wind op grote hoogte te bepalen. Als alternatief kan de positie van een radiosonde ook worden bepaald door radar of radio-theodoliet, maar geen van beide is tegenwoordig belangrijk.
 
Data overdracht
Tegenwoordig vindt datatransmissie meestal plaats in het frequentiebereik van 400 MHz tot 406 MHz. Afhankelijk van het type sonde worden kanalen met verschillende bandbreedtes gebruikt. Moderne sondes bezetten slechts ongeveer 5 kHz.

Elk opstijgpunt gebruikt de frequenties die eraan zijn toegewezen. In de regel is er
een hoofdfrequentie en een alternatieve / herstartfrequentie die wordt gebruikt als de reeds gestarte sonde defect is en een herstart nodig is of als de hoofdfrequentie niet kan worden gebruikt vanwege interferentie. Er zijn ook radiosondes die de gegevens verzenden in het frequentiebereik van 1,68 GHz.

De meeste sondemodellen hebben ook instelbare mechanismen om ze na een bepaalde tijd uit te schakelen, nadat de ballon is gesprongen of andere criteria terwijl ze nog in de lucht zijn. Gewoonlijk wordt, naast de verzending van de meteorologische meetgegevens, de telemetrie van interne meetparameters gebruikt om de sonde zelf te bewaken. B. ook een stroom- en spanningsmeting van externe sensoren om hun goede werking te bewaken. De sondes en vooral de batterijen zijn ondergebracht in een behuizing van polystyreenschuim voor thermische isolatie, met alleen een draadantenne en sensoren aan de buitenkant.

Tegenwoordig worden meestal radiosondes voor eenmalig gebruik gebruikt, waarvoor geen vindersvergoeding wordt betaald. Aan mogelijke vinders wordt soms gevraagd door stickers of folders die aan de sondes zijn bevestigd om de radiosonde met elektronica en batterijen weg te gooien. Een radiosonde-opstijging met een waterstofgevulde ballon en radiosonde kost vandaag  ongeveer € 300 en ongeveer
€ 400 met een 1,8 m³ heliumvulling.
 
Ballonnen en parachutes
Het opstijgen van de sondes vindt plaats op een latexballon gevuld met helium of waterstof, die door de afnemende luchtdruk steeds meer uitzet met toenemende hoogte tot hij uiteindelijk barst.

Ondanks de steeds lichtere sondes is een ballon van de juiste maat nodig om de gewenste hoogte te bereiken. Volgens het WMO-advies vindt de stijging plaats met ongeveer 300 meter per minuut.
 
Stüve-diagram van een radiosonde opgelaten door het KNMI te De Bilt op 27 nov. 2014 rond
00 UTC. De bruine lijn geeft de gemeten luchttemperatuur op verschillende hoogtes weer, de rode lijn het dauwpunt. Op hoogtes waar beide lijnen elkaar dicht naderen, is de relatieve luchtvochtigheid (oranje lijn) bijna 100% en is de aanwezigheid van wolken waarschijnlijk.
 
De sondes vallen terug op de grond nadat de ballon is gesprongen; Parachutes kunnen worden gebruikt om de valsnelheid te verminderen. De valsnelheden kunnen bij het gebruik van
parachutes niet betrouwbaar worden voorspeld, aangezien de functie van de parachute in verschillende mate kan worden aangetast door verwarde koorden of ballonresten.
 
Recycling
Als de radiosonde verder stijgt, komt hij in steeds ijlere lucht. De (latex) ballon zal dus groter en groter worden en vroeg of laat klappen. De radiosonde komt dan aan de parachute naar beneden, soms op honderden kilometers afstand van de startlocatie. Gewone radiosondes worden slechts één maal gebruikt. Wie zo'n sonde vindt, mag hem behouden of kan hem inleveren bij het klein chemisch afval of voor verdere verwerking terugsturen naar het weerstation dat hem heeft opgelaten. Hiertoe zijn de radiosondes soms voorzien van een briefje met vermelding van de herkomst
en een nadere uitleg. Afhankelijk van de hoogtewinden komen radiosondes opgelaten in Duitsland vanaf bijvoorbeeld de nabijgelegen weerstations Norderney, Meppen en Essen, en vanaf de Belgische weerstations Bevekom en Ukkel regelmatig boven Nederland terecht. Ozonsondes worden wel opnieuw gebruikt. Het KNMI en het KMI ontvangen hun ozonsondes dan ook graag retour. De vinder ontvangt een vinderspremie.
 
Bronnen: Wikipedia-nl, Wikipedia-en, Wikipedia-de
  Categorieën: Meteorologische instrumenten I Weer A tot Z
 
web design florida