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METEOROLOGIA E VOLI DA PALLONI STRATOSFERICI

METEOROLOGIA E VOLI DA PALLONI STRATOSFERICI. PROGETTO-ESPERIMENTO COSMIC RAYS A.S. 2009-2010/2010-2011. by : LUIGI MERICO Responsabile Progetto. SCUOLE COINVOLTE. PARTNERS. Agenzia Spaziale Italiana Ufficio Scolastico Regione Puglia Università del Salento – Dip. di Fisica

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METEOROLOGIA E VOLI DA PALLONI STRATOSFERICI

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  1. METEOROLOGIA E VOLI DA PALLONI STRATOSFERICI PROGETTO-ESPERIMENTO COSMIC RAYS A.S. 2009-2010/2010-2011 by: LUIGI MERICO Responsabile Progetto

  2. SCUOLE COINVOLTE PARTNERS • Agenzia Spaziale Italiana • Ufficio Scolastico Regione Puglia • Università del Salento – Dip. di Fisica • Università di Roma “La Sapienza” – Dip. di Fisica • Istituto Nazionale di Fisica Nucleare – Lecce • Centro Italiano Ricerche Aerospaziali • Lions Club di Mesagne (Br) • Lions Club di Maglie (Le)

  3. COMPOSIZIONE TEAM SUPPORTO DIDATTICO-TECNICO-SCIENTIFICO • Prof. Edoardo Gorini (Dip. Fisica – UnisalentoLecce) • Prof. Ivan De Mitri (Dip. Fisica – UnisalentoLecce) • Prof. Marco Panareo (INFN – Lecce) • Prof. Margherita Primavera (INFN – Lecce) • Prof. Paolo De Bernardis (Dip. Fisica – Univ. La Sapienza Roma) • Prof. Antonio Di Domenico (Dip. Fisica – Univ. La Sapienza Roma) 1 Responsabile/Coordinatore 18 Docenti/Tutors 6 Supporto Did/Tecn/Scient. 34 Studenti-Sperimentatori RIFERIMENTI ASI • D.ssa Giuseppina Pulcrano (Resp. Divulgazione Aerospaziale) • D.ssa Daniela Leprini (Divulgazione Aerospaziale) • Ing. Roberto Ibba (Resp. Unità di terra) • Ing. Domenico Spoto (Resp. Base Lancio Trapani-Milo)

  4. A.S. 2009-2010 • Corso docenti (gennaio-marzo 2010) • Corso studenti (marzo-maggio 2010) A.S. 2010-2011 • Realizzazione dell’esperimento (novembre 2010-febbraio 2011) • Validazione (marzo 2011) • Lancio (aprile-agosto 2011) • Analisi dati (settembre-novembre 2011) • Pubblicazione report (dicembre 2011) • Trapani-Milo (Italia) • Isole Svalbard (Norvegia) • Piattaforma S. Marco (Kenia) DURATA DELL’ESPERIMENTO POSSIBILI SITI DI LANCIO

  5. LA METEOROLOGIA CONNESSA CON I VOLI DA PALLONI STRATOSFERICI Le condizioni meteorologiche rivestono primaria importanza nei voli dei palloni stratosferici. Difatti, è indispensabile la conoscenza dei venti al suolo nella preparazione del lancio, del gonfiaggio del decollo. I venti alle varie quote per la traiettoria di salita, plafond, quota di sgancio del carico, area di recupero. Ne consegue il continuo monitoraggio della situazione barica al suolo, alle varie quote di volo, alla quota di crociera, nell’area di recupero. Molto importante il profilo termico verticale, poiché le temperature possono raggiungere -70°C nella Tropopausa. Per far ciò, il meteorologo responsabile si avvale di sofisticate apparecchiature meteorologiche, come radiosonde, anemometri digitali, palloni frenati, satelliti meteorologici, carte meteorologiche aggiornate ogni 6 ore, topografie in quota delle superfici isobariche. Soltanto a seguito di approfondita analisi di tutti i parametri che rispecchiano i vincoli di sicurezza e riuscita del volo, si procede al count-down.

  6. Definizione “L’atmosfera terrestre è un involucro gassoso che avvolge la Terra, ne assume la forma e ne segue il movimento nello spazio”.

  7. L’atmosfera terrestre è uno strato molto sottile d’aria: nei primi 30 km si trova il 99% dell’intera massa • Composizione chimica: 78% azoto, 21% ossigeno, 1% altri gas • Liquefatta, occuperebbe uno spessore di appena11 metri • Grazie ad essa è possibile la vita sulla Terra • E’ la sede dei fenomeni meteorologici

  8. PROFILO TERMICO DELL’ATMOSFERA • strati a profilo termico uniforme • troposfera • temperatura decrescente • stratosfera • temperatura crescente • mesosfera • temperatura decrescente • termosfera e strati esterni • temperature crescenti (superiori al migliaio di gradi) • approssimazione gas perfetti • strati di transizione a temperatura costante • Tropopausa • Stratopausa • Mesopausa • Termopausa

  9. FORZA DI GRADIENTE

  10. CIRCOLAZIONE GENERALE (TEORICA) DELL’ATMOSFERA Cella di Hadley In questo caso, l’unica forza attiva che fa muovere l’aria è la Forza di Gradiente (Fg) che sarà tanto maggiore quanto maggiore sarà la differenza di pressione relativamente alla distanza e sarà dipendente, per motivi d’inerzia, dalla densità dell’aria stessa, cioè, inversamente proporzionale alla densità. Per cui, a quote più elevate ed a parità di differenza di pressione e di distanza, la Fg sarà maggiore che negli strati più bassi.

  11. CIRCOLAZIONE GENERALE (REALE) DELL’ATMOSFERA venti polari Cella Polare venti occ. Cella di Ferrel alisei Cella di Hadley In ques’altro caso, la Fg viene deviata da una forza fittizia che agisce soltanto quando la massa d’aria è in movimento. Questa forza si chiama Forza Deviante (Fd); essa è in funzione della velocità angolare della Terra, della velocità della massa d’aria e della latitudine del luogo in cui si muove ed agisce sempre perpendicolarmente al vettore velocità sulla sua destra.

  12. VENTO GEOSTROFICO F= -1/φ . ΔP/ΔH in cui: F = forza agente φ = densità dell’aria ΔP = P2 – P1 ΔH = H2 – H1 • IL VENTO GEOSTROFICO AUMENTA: • Con il gradiente barico • Con il diminuire della densità dell’aria, ovvero, con la quota • Con il diminuire della latitudine (trascurando l’attrito

  13. CIRCOLAZIONE ALTE E BASSE PRESSIONI

  14. DIVERGENZA E CONVERGENZA CONVERGENZA DIVERGENZA

  15. CALORE E TEMPERATURA Il calore è la forma macroscopica nella quale ll'energia passa da un sistema fisico ad un altro unicamente a causa di differenze ditemperaturat Infisica, la temperatura è la proprietà fisica di un sistema corrispondente alle nozioni comuni di "caldo" e "freddo"; normalmente il materiale con temperatura più alta è considerato più caldo, anche se può non sembrare tale: ad esempio una pezzo d‘argentoasembra molto più freddo di un pezzo di plasticaalla stessa temperatura, a causa delcalore specificocdei materiali. Formalmente, la temperatura è la propriietàpche regola il trasferimento di energia termica o calore, da un sistema ad un altro. Quando due sistemi sono alla stessa temperatura, si dice che si trovano in equilibrio termico e non avviene nessun trasferimento di calore. Quando esiste una differenza di temperatura, il calore tenderà a muoversi dal sistema a temperatura più alta verso il sistema a temperatura più bassa, fino al raggiungimento dell‘equilibrio termico.

  16. IL CALORE SPECIFICO • Si definisce calore specifico di una sostanza “la quantità di calore necessaria a innalzare di 1°C la temperatura dell'unità di massa”. In relazione alle condizioni di riscaldamento, si distinguono rispettivamente - il calore specifico a volume costante • il calore specifico a pressione costante. • In generale, i due calori specifici dipendono dalla temperatura e nel caso dell'acqua e di tutte le sostanze praticamente incomprimibili hanno valori approssimativamente uguali.

  17. LA TEMPERATURA DELL’ARIA Per temperatura dell’aria al suolo si intende la temperatura dell’aria misurata a circa 2 metri dal suolo, lontano da superfici radianti.

  18. TEMPERATURA • variabilità di comportamento • alternanza di massimi e minimi • serie di strati a profilo termico uniforme • (sempre crescente o decrescente) • strati di transizione a temperatura costante

  19. GRADIENTI TERMICI(Definizioni) GRADIENTE TERMICO VERTICALE: si definisce tale quando la temperaturadiminuisce con la quota. ISOTERMIA: quando la temperatura rimanecostantecon la quota. INVERSIONE TERMICA: quando la temperatura, invece di diminuire con la quota,aumenta. GRADIENTE TERMICO ORIZZONTALE: indica la diminuzione della temperatura sulla distanza orizzontale.

  20. SCALE TERMOMETRICHE • SCALA FAHRENEITH: il cui valore 32 corrisponde allo 0 della scala centigrada, ed il valore 212 corrisponde a 100 della scala Centigrada. • SCALA KELVIN: detta scala assoluta o scala campione. • SCALA CELSIUSoCENTIGRADA: il cui valore 0 corrisponde alla temperatura del ghiaccio fondente; il valore 100alla temperatura dell’acqua bollente.

  21. Gradiente termico verticale e inversione termica

  22. L’INVERSIONE TERMICA

  23. LA PRESSIONE In fisica, la pressione è una grandezza fisica definita come “il rapporto tra la forza agente normalmente su una superficie e la superficie stessa”. P = F/S Quando non esistano ulteriori specificazioni, la pressione si intende riferita all'unità di superficie.

  24. LA PRESSIONE ATMOSFERICA • “La pressione atmosferica è la forza o peso esercitata da una colonna d’aria sull’unità di superficie”. Il suo valore varia in funzione dell’altitudine, della latitudine e della temperatura. • Essa è rappresentata dalla relazione: • p = ⍴ g h • dove: • ⍴ la densità del mercurio • g l’accelerazione di gravità • h l’altezza della colonna di • mercurio • La pressione atmosferica normale, o standard, è quella misurata alla latitudine di 45°, al livello del mare (l.m.) e ad una temperatura di 0°C, che corrisponde ad una colonna di mercurio alta 760 mm. Nelle altre unità di misura corrisponde a: • 760 mmHg = 1 atm= 101325 hPa= 1013,25 millibar= 760 torr

  25. ESPERIMENTO DI TORRICELLI (1640) Barometro di Fortin (1800) La pressione atmosferica cambia con la quota

  26. GRADIENTE BARICO • Si definisce Gradiente Barico Verticale la diminuzione della pressione con la quota. Esso è pari ad 1 hPa/8mt di salita, oppure 1 mmHg/11 mt. • Si definisce Gradiente Barico Orizzontale la variazione della pressione sulla distanza orizzontale.

  27. IL VENTO DEFINIZIONE: “Si definisce VENTO lo spostamento orizzontale delle masse d’aria rispetto al suolo. Si chiama VENTO AL SUOLO se viene misurato al suolo; in quota se viene misurato in quota”.

  28. CARATTERISTICHE DEL VENTO Il vento può essere: • TESO: quando la direzione di provenienza e l’intensità sono pressoché costanti. • A RAFFICA: quando la direzione di provenienza è pressoché costante, ma l’intensità varia di almeno 10 kts la media degli ultimi 10’. • DI GROPPO: ha le stesse caratteristiche del vento A RAFFICA ma è accompagnato da afflusso di aria fredda.

  29. VENTO AL SUOLO • Forza dovuta all’attrito: • rallenta la velocità • devia il vento geostrofico verso basse pressioni • nulla oltre quota di 1000 metri Fa = KV in cui: Fa = Forza di attrito K = Costante di proporzionalità V = Vettore velocità

  30. VENTO AL SUOLO • sugli oceani: • velocità  70% velocità vento geostrofico • deviazione di 10°-20° direzione vento geostrofico • sui continenti: • velocità  40% velocità vento geostrofico • deviazione di 40°-50° direzione vento geostrofico • a quota di 1000 metri: • attrito nullo • vento geostrofico

  31. VENTI IN QUOTA

  32. UNITA’ DI MISURA DEL VENTO • l’intensità del vento viene misurata in: • chilometri orari km/h • metri per secondo m/s • nodi kt • 1 kt = 1,85 KM/H = 0,52 M/S • 1 m/s = 1,94 KT = 3,6 KM/H • 1 km/h = 0,54 KT = 0,28 M/S • unità di misura: • ICAO prevede km/h • la scelta è lasciata a decisione nazionale • kt riconosciuto come standard a tempo indeterminato (anche l’Italia lo ha adottato) • m/s utilizzato nell’est europeo

  33. REGOLA DI BUYS-BALLOT “volgendo le spalle al vento, sulla dx vi è l’AltaPressione, sulla sx la BassaPressione”

  34. COSA SONO I PALLONI STRATOSFERICI? • Velivoli senza propulsione auto-sostentanti nell’atmosfera grazie alla minore densità del gas contenuto nel pallone, tipicamente elio, rispetto all’aria intorno, nella quale essi sono mossi orizzontalmente dalla spinta dei venti. • Principali caratteristiche: • Quota di volo: 38-40 km • Carico utile : sino a 5 tonnellate • Dimensioni navicella : L. < 4m, h < 6m. • Durante il volo il carico utile del pallone esegue la sua missione scientifica. • Al termine del volo il carico viene separato per poi essere recuperato, generalmente a terra o, occasionalmente, in mare.

  35. VOLI CON PALLONI STRATOSFERICI I palloni stratosferici rappresentano storicamente uno dei primi mezzi per condurre esperimenti scientifici in ambiente "quasi spaziale“, ossia, in condizioni di microgravità e sono tutt’oggi uno strumento molto utile a disposizione della ricerca scientifica.  Avendo la possibilità di volare fino ad una quota di 40 km e più, i palloni sono innanzitutto un buon osservatorio per lo studio dell'Universo. 

  36. L'Agenzia Spaziale Italiana (ASI) ha una lunga tradizione di lanci di palloni stratosferici dalla Base “L. Broglio” di Trapani-Milo, alle pendici di Monte Erice. Da questa Base, a partire dal 1975, sono stati effettuati numerosissimi lanci con a bordo esperimenti dedicati ad un ampio spettro di discipline.  Inoltre, nell'ambito di collaborazioni internazionali, l'ASI partecipa ai lanci effettuati in Artide ed Antartide.

  37. La durata dei voli varia da poche ore (voli locali), con recupero degli esperimenti in mare o in Sicilia, fino a 22-23 ore (voli transmediterranei) con recupero degli esperimenti in territorio spagnolo. Questi ultimi, sono possibili grazie alle favorevoli condizioni meteorologiche che si stabilizzano durante il periodo estivo, alla calma di vento mattutina e pre-notturna, nonché ai venti in quota che soffiano dal settore orientale trasportando il pallone verso occidente. Da tempo, sono in corso accordi con la NASA per l’effettuazione di voli transatlantici con recupero in territorio USA (tempi di volo: 5 giorni circa).

  38. TIPOLOGIE E CARATTERISTICHE DEI PALLONI • Costruiti dalla RAVEN americana, la composizione chimica rimane tutt’ora un segreto ben custodito. Tuttavia, si suppone siano composti di materiale liquido raffreddato successivamente. • Il loro spessore non supera i 25 micron • Possono sopportare temperature di circa -90°C • Il loro volume varia dai 1.000 m3 al 1.200.000 m3 (di quest’ultimo, unico lancio al mondo effettuato dalla Base di Milo con BOOMERANG), in funzione della quota e del carico (a richiesta, si possono impiegare palloni più piccoli, ad esempio, di 286 m3 usato con il volo didattico ESPRA del Giugno ’05 con carico di 10 kg alla quota di navigazione di circa 27 km)

  39. PERCHE’ USARE I PALLONI NELLE ATTIVITA’ SPAZIALI? • Bassi costi, circa 1/10 rispetto ad un normale volo spaziale • Una missione spaziale prevista con lo Space Shuttle, comporta tempi di attesa di circa 5 anni • Una missione spaziale prevista con volo da pallone, i tempi si riducono a 6 mesi

  40. Gas impiegato: Elio • Carico massimo lanciato da Milo: oltre le 4 tonn • Velocità ascensionale: 5 m/s • Sono gestibili dalla Sala Controllo Navigazione della Base di Trapani-Milo • Per il volo USV “Castore”, è stato utilizzato un pallone di 350.000 m3 con un carico utile di circa 3 tonnellate ad una quota di 32 km

  41. PERCHE’ USARE I PALLONI NELLE ATTIVITA’ SPAZIALI? - Bassi costi, circa 1/10rispetto ad un normale volo spaziale • Una missione spaziale prevista con lo Space Shuttle, comporta tempi di attesa di circa 5 anni • Una missione spaziale prevista con volo da pallone, i tempi si riducono a 6 mesi

  42. L’ANDAMENTO DELLE CORRENTI NELL’EMISFERO NORD FINALIZZATE AL LANCIO DI PALLONI STRATOSFERICI

  43. EMISFERO NORD (1) Considerando la circolazione generale dell’atmosfera al disopra dei 25 km (circa 25hPa), l’influenza della circolazione è NULLA! La configurazione delle superfici isobariche risentono solo ed esclusivamente del riscaldamento dell’atmosfera a quelle quote. Durante il corso dell’anno, responsabile di tale riscaldamento è la radiazione solare diretta e l’albedo. Per tale motivo, durante il periodo primaverile ed autunnale, ci sarà un momento in cui le superfici isobariche coincidono con le rispettive superfici equipotenziali, ovvero, hanno la forma del geoide. Partiamo da tale momento nel periodo primaverile e andiamo verso l’inizio dell’estate, poiché le superfici isobariche coincidono con i geopotenziali, vento è zero (gradiente delle isopipse “zero” = periodo del “turn round”).

  44. Con l’inizio del riscaldamento dell’emisfero boreale (alle quote considerate) si riscalda e si espande. Pertanto, si comincia a creare un anticiclone (H) con centro il Polo Nord; tale anticiclone inizia con piccole circolazioni anticicloniche che si intravedono nei pressi del Circolo Polare (come latitudine) che si intensificano man mano che si va verso l’estate, si fondono e si dirigono verso il Polo fino a formare un unico anticiclone con centro il Polo stesso. In tale condizione, nell’emisfero Boreale la superficie isobarica “taglia” la superficie equipotenziale come in fig. 1A Le isoipse, pertanto, saranno mediamente lungo i paralleli, con circa 5-6 ondulazioni dovute alle onde di Rosby. Il massimo del vento si verificherà nel periodo di massimo riscaldamento (15 luglio-15 agosto). Il vento, naturalmente, spirerà da Est verso Ovest.

  45. EMISFERO NORD (2) Dopo l’autunno, invece di un anticiclone al Polo Nord si instaurerà una circolazione ciclonica (L) rappresentata in fig. 1B e la superficie isobarica “taglierà” la superficie equipotenziale come in fig. 1B’. Quindi, il vento invertirà la sua direzione spirando da Ovest verso Est. La stessa cosa, ma invertita, si verifica nell’emisfero Australe.

  46. Informazioni Generali sulla Base di Trapani-Milo • La Base “Luigi Broglio”di Trapani è stata istituita nel 1975. • Si trova nel territorio del Comune di Trapani ed occupa l’area di un ex aeroporto militare in concessione all’Agenzia Spaziale Italiana. • È situata alle pendici del monte Erice, in Contrada Milo. • Nella Base sono presenti diversi edifici adibiti a varie funzioni, quali uffici, centro di controllo ed elaborazione dati, locali di integrazione, laboratori ed officine, magazzini, rimessaggi.

  47. PALAZZINA CONTROLLO VOLI

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