Ravinsonde Rasatları

1920 lerin başlarında Fransız bilim adamları BUREU ve İDRAC ile onlardan ayrı çalışan Rus bilim adamı MOLTCHANOV atmosferin çeşitli seviyelerindeki hava koşulları hakkındaki bilgileri, radyo dalgaları aracılığıyla toplamak ve yayınlamak için bir cihaz üzerinde çalışmaya başladılar. 1930 yılında Rus MOLTCHANOV bu günkü radiosonde cihazının atası denilebilecek ilk radiosonde cihazını geliştirmeyi başardı.



Ravinsonde rasatları, radiosonde cihazı denilen ve balonla birlikte serbest atmosfere gönderilen rasat aletleri yardımıyla yapılır. Radiosonde cihazı, balonun yardımıyla serbest atmosferde yukarı çıkarken meteorolojik bilgileri eş zamanlı olarak ölçen ve istasyona gönderen alettir. Radiosonde cihazı, basınç, sıcaklık, nem değerlerini ölçen sensörlerden meydana gelmektedir. Bu sensörler yardımıyla elde edilen bilgiler, önceden belirlenmiş olan bir sıralama dahilinde ve belirlenmiş kısa zaman aralığında alıcı yer istasyonuna gönderilir.

Rüzgar bilgileri ise radiosonde cihazının serbest atmosferdeki konumuna bağlı olarak elde edilen açı değerlerinden elde edilir. Ravinsonde rasatları, basıncın, sıcaklığın, nemin, rüzgar yön ve şiddetinin, yerden uçuşun son bulduğu yüksekliğe kadar yüksekliğin bir fonksiyonu olarak elde edildiği gözlemlerdir. Ravinsonde sistemi, bir balonu taşıdığı radiosonde cihazı, cihazdan gelen sinyalleri alan ve cihazı izleyen yer ekipmanı ve bilgileri işlemek için bilgisayar ünitesinden ibarettir.

“Ravinsonde” kelimesi tam olarak, atmosferde yükseklikle, basınç, sıcaklık, nem ve rüzgar bilgilerinin elde edilmesini ifade eder.

“Radiosonde” kelimesi ise atmosferde yükseklikle, basınç, sıcaklık ve nem bilgilerini ifade eder. Dikkat edileceği üzere bu iki kelimenin tek farkı rüzgar bilgileridir. Şu halde eğer bir istasyonda atmosferde yükseklikle, sıcaklık, basınç, nem ve rüzgar değerleri elde ediliyorsa bu rasatlara “Ravinsonde Rasatları” demek daha doğru olacaktır.



Ülkemizde 7 adet ravinsonde istasyonu bulunmaktadır. Bunlar, SAMSUN (41.20 N, 36.15E), İSTANBUL (40.58 N, 29.05 E), ANKARA (39.57 N, 32.53 E), İZMİR (38.26 N, 27.10 E), ISPARTA (37.45 N, 30.33 E), DİYARBAKIR (37.55 N, 40.12 E), ADANA (37.03 N, 35.21 E) dir. Bu istasyonlar, yukarıda açıklandığı üzere, Türkiye’ yi etkileyen hava kütleleri ve ulusal ihtiyaçlar göze alınarak tesis edilmiştir. WMO geniş kara bölgeleri üzerinde ravinsonde istasyonlarının 250 km, sık nüfuslu olmayan yerlerde ve okyanuslarda ise 1000 km olarak tavsiye eder. Bu kriterler dikkate alındığında Türk ravinsonde istasyonları bu kriterlere uymaktadır. Aradaki mesafe ortalama olarak 500 km civarındadır. WMO günde bu istasyonların 4 defa rasat yapmasını tavsiye eder. Fakat istasyonlarımız bütün dünya genelinde uygulandığı gibi, 00 UTC ve 12 UTC olmak üzere günde iki defa rasat yapmaktadır.

Sistem ve Ekipman



Uçuş sistemleri veya uçuş takımı, bir balon, uçuşa yardımcı birimler ve radiosonde cihazından ibarettir. Balon, radiosondeyi serbest atmosferde istenilen bir yükselme oranında, istenilen yüksekliğe çıkarmak için kullanılır. Radiosonde cihazını balona bağlayan sistem, paraşüt, ışıklandırma birimi, bazı radiosonde cihazlarıyla birlikte kullanılan reflökterler uçuşa yardımcı birimler olarak adlandırılmaktadır. Radiosonde ise, istenilen meteorolojik değişkenleri ölçebilecek birimlerden (sensörler) ve elde edilen bu bilgileri istasyona gönderecek vericilerden ibarettir.



Meteorolojik amaçlı balonlar, doğal kauçuk hammaddesinden (lateks) veya sentetik kauçuktan (neopren) yapılmıştır. Lateks balonlar, neopren balonlara göre, şiştikleri zaman daha küresel bir görünüm arzederler ve aşağı atmosferde daha süratli ve muntazam bir yükselme oranına sahiptirler. Neopren balonlar şişirildiklerinde dikey gerilmeye müsaittir ve serbest atmosferde yükselirken balonun tepesi yassılaşır. Bu yüzden balon yavaşlar ve hantallaşır. Lateks balonlara oranla daha az muntazam yükselme oranına sahip olurlar. Neopren balonları rüzgarlı havalarda fırlatmak oldukça zordur. Ayrıca kötü hava koşulları için özel üretilmiş balonlar vardır.

Balonlar gerek pilot balon rasatları gerekse ravinsonde rasatları için farklı hacim ve ağırlıklarda yapılmıştır. Genel olarak, pilot balon rasatlarında, 30 ve 100 gramlık balonlar kullanılır. Ravinsonde rasatları için de radiosonde cihazının ağırlığına göre, 600 ila 1500 gram arasında balonlar kullanılmaktadır. Bu balonlar çeşitli boyutlarda olabilir. Pilot balon rasatlarında, balonun 15-20 km ye kadar çıkması esastır. Ravinsonde rasatlarında ise balonlar kullanılacak radiosonde cihazına göre tayin edilmelidir ve 30-35 km lik bir yükseklik bu rasatlar için esastır. Balonun ağırlığı arttıkça, (belirli bir ağırlığa kadar) çıkabileceği yükseklik de artar.



Balonların şişirilmesinde havadan hafif gazlar kullanılmaktadır. Bu gazlar, Hidrojen, Helyum ve doğal gazdır. Devlet Meteoroloji İşleri Genel Müdürlüğü’nde ravinsonde rasatlarında hidrojen gazı kullanılmaktadır. Pilot balon rasatlarında ise duruma bağlı olarak bazen helyum gazı kullanılabilmektedir.

Genellikle ravinsonde yer istasyonlarında pratikliği ve bir parça ucuzluğu sebebiyle hidrojen gazı kullanılmaktadır. Fakat hidrojen yüksek parlayıcılık oranına sahip bir gazdır. Bu tarafı da hidrojenin dezavantajını oluşturmaktadır. Hidrojen gazı, bir üretici tarafından imal edilip tüpler vasıtasıyla kullanılmaktadır ya da hidrojen jeneratörü tarafından üretilip kullanılmaktadır. Ülkemizde hidrojen jeneratörler yardımıyla üretilmektedir.

Helyum hidrojenden daha hareketsiz yani durağan bir gazdır. Aynı zamanda hidrojenden daha güvenli bir gazdır. Helyumun daha güvenli olası nedeniyle dünyada güvenlik açısından hassas bölgelerde, gemilerde ve mobil operasyonlarda helyum kullanılmaktadır. Helyum genellikle tüplerde kullanılır. Bazen sıvı helyum da operasyon özelliğine yer avantajı sağlamak amacıyla kullanılabilir.

Doğal gaz dünyada özellikle kutup bölgelerinde kullanılır. Çünkü kutuplarda hazır elde edilebilirlik avantajı vardır ve uzak bölgelerde bu yüzden hidrojen ve helyuma göre daha ucuzdur. Doğal gaz hidrojenden daha fazla yanıcılığı, parlayıcılığı ve birim hacim başına düşen kaldırma kuvvetinin diğer iki gazdan daha az olması nedeniyle kutuplar dışında daha az kullanılmaktadır.



Uçuşun gerçekleştirilebilmesi ve rasat açısından uçuşun güvenli hale getirilebilmesi için uçuşa yardımcı birimler tasarlanmıştır. Bunlar paraşüt, ışıklandırma birimidir.



Balon patladıktan sonra serbest düşmeye geçtiği zaman, yerde, özellikle yerleşim yerlerinde hasara sebep olabilir. İstasyonlarımız şehir merkezine yakın bölgelerde bulunduğu için can ve mal emniyeti bakımından mutlaka paraşüt kullanılmalıdır. Kullanılacak paraşütler gök yüzü fonlarından ayırt edilebilecek parlak renklerde olmalıdır.



Antenin, uçuş başlangıcında, manuel olarak radiosondeye kilitlenmesi gereken sistemlerde, gece yapılan fırlatmalarda, ışıklandırma birimi kullanılmaktadır. Salıvermenin 5. dakikasına kadar, ışıklandırma birimi gece şartlarında operatöre büyük kolaylık sağlamaktadır.



Radiosonde cihazı, radyo dalgaları aracılığıyla, herhangi bir yer alıcı istasyonuna basınç(P), sıcaklık(T) ve nem(U) değerlerini otomatik olarak gönderen ve balon yardımıyla taşınan, enerji kaynağı olarak ta pili kullanan meteorolojik ölçüm cihazıdır.

Radiosondeler dünyada pek çok ülke, firma ve acentalar tarafından üretilmektedir. Fakat tıpkı otomobil üretiminde olduğu gibi radiosondelerde de belirli bir standart vardır ve hepsinin çalışma prensibi aynıdır. Radiosonde cihazlarının temel parçaları, meteorolojik sensörler, elektronik bilgi kodlayıcıları ve telemetrik (radyo dalgalarını kullanan) transmitter (gönderici) dir. Ölçülen basınç, sıcaklık ve nem bilgileri kullanılarak, jeopotansiyel yükseklik ve işba sıcaklığı değerleri elde edilir. Bazı radiosondelerde bu parçalara ek olarak, rüzgar elde etme metotlarında, VLF, LORAN-C Sistemi ve GPS Sistemi (Küresel Konumlama Sistemi) gibi sistemleri desteklemek amacıyla NAVAID sensör ve translatör (çevirici) kullanılmaktadır.



Radiosonde cihazlarında kullanılan meteorolojik sensörler, atmosferde, yüksekliğin bir fonksiyonu olarak, basınç, sıcaklık ve nispi nem değerlerini ölçerler. Sensörler fabrikalarda kalibre edilmişlerdir. Kalibrasyon değerleri uçuş öncesi hazırlıkları yapılırken tamamen kontrol edilmelidir. Böylece, salıverme öncesinde, tüm radiosonde parçalarının uygun şekilde çalıştığı test ve kontrol edilmiş olur.

Basınç sensörü, uçuşun başlangıcından itibaren balonun patlamasına kadar geçen sürede, yüksekliğin bir fonksiyonu olarak basınç değerlerini uçuş şartlarında ölçer. Bu sensör, genellikle içi boşaltılmış bir anaroid barometredir. Sensör basınçtaki değişmelerde esneyen bir parça içerir. Parçadaki esneme, basınçta meydana gelen değişiklikle orantılıdır. Esnemedeki bu değişiklik kapasidans olarak ya da bir elektronik düzeneği dengeleyecek denge voltajı olarak rapor edilir. Buradan şu anlam çıkmaktadır; basınçtaki değişim bir barometre tarafından, barometrenin basınca duyarlı parçası tarafından algılanır ve bir takım elektronik birimler tarafından elektrik akımına çevrilir. Böylece basınç bilgilerine ait elektronik işaretler (sinyaller) elde edilmiş olur. Basınç sensörleri genellikle +50 ve -90 °C arasındaki sıcaklık değerlerindeki basınç değerlerini ölçmek amacıyla dizayn edilmişlerdir.

Sıcaklık sensörü, uçuşun başlangıcından itibaren balonun patlamasına kadar geçen sürede, yüksekliğin bir fonksiyonu olarak sıcaklık değerlerini uçuş şartlarında ölçer. Bu sensör, resistans ve kapasitanstaki meydana gelen sıcaklık değişimlerini elektronik işarete çevirir. Sıcaklık sensörleri kısa ve uzun boylu radyasyonlardan etkilenebilir.

Nem sensörü, uçuşun başlangıcından itibaren balonun patlamasına kadar geçen sürede, yüksekliğin bir fonksiyonu olarak nem değerlerini uçuş şartlarında ölçer. Günümüz radiosondelerinde, nem sensörü olarak karbon elemente ve ince zar kapasitansına sahip elektriksel sensörler kullanılmaktadır.



Dünyada bazı radiosonde cihazları, daha önce bahsedildiği gibi, NAVAID sensörleri ile yerde kurulu veya uydudaki sabit verici merkezleri yardımıyla rüzgar bilgilerini elde etmektedir. Yeryüzünde kurulmuş bulunan sabit istasyonlardan LORAN veya VLF sinyalleri ile radiosonde cihazlarında bulunan NAVAID sensörüyle bilgi alışverişi yapılarak rüzgar değerleri elde edilmektedir. Uzayda bulunan uydulardan yararlanılarak GPS Sistemi (Küresel Konumlama Sistemi) aracılığıyla yine radiosonde cihazında bulunan NAVAID sensörü ile birlikte rüzgar değerleri elde edilmektedir. Gerek LORAN ve VLF sabit istasyonları gerekse GPS uydularının kullanılma sebebi balonun serbest atmosferdeki pozisyonunun tespit edilmesi içindir. Uydu-VLF, LORAN istasyonları ve ravinsonde istasyonu arasında, cihazdan gelen sinyaller doğrultusunda açı değerleri elde edilmektedir. Aşağıda GPS, LORAN ve VLF sistemlerinden bahsedilmiştir.



GPS Sistemi 24 adet uydu takımından oluşmaktadır. Bu uydu takımının her birisi 1575.41 (L1) ve 1227.60 (L2) MHZ lik frekanslara sahip olmak üzere sinyalleri nakletmektedir. L1 Bandı, sivil konumlandırma amacıyla ayrılmıştır. 2 MHZ lik taşıyıcı frekans genliğine sahiptir. GPS Sistemi yardımıyla 0.5 m/sn doğruluğunda rüzgar değerleri elde edilmektedir. Ülkemizde halihazırda GPS sistemi kullanılarak rasatlar yapılmaktadır.



LORAN-C istasyonları, sinyalleri 100 KHZ lik taşıyıcı frekans üzerinden nakleder. Radiosonde cihazı üzerinde bulunan sensör yardımıyla LORAN sabit istasyonlarından bilgi alışverişi olmaktadır ve bu işleme de LORAN çevrimi adı verilir. LORAN-C sistemi küresel bazda değildir ve bölgesel olarak sınırlandırılmıştır. Ayrıca, nakletme güçlüğü, uzay dalgaları kirliliği ve geometrik nedenler bir dezavantajdır. LORAN-C Sistemi yardımıyla 0.5 m/sn doğruluğunda rüzgar değerleri elde edilmektedir.



Dünyada çok yaygın olmayan bu sistem aracılığıyla 3 m/sn doğruluğunda rüzgar değerleri elde edilmektedir.



Radiosonde cihazında çeşitli sensörler yardımıyla elde edilen basınç, sıcaklık ve nem bilgileri, radiosonde cihazı tarafından elektronik olarak şifrelenerek gönderilmektedir. Bu olaya bilgi şifreleme elektroniği adı verilir. Bilgi şifreleme elektroniği, çeşitli sensörleri örnek olarak dener, sensör sinyallerini elektronik işarete çevirir (şifreler) ve işaretleri radiosonde cihazının taşıyıcı frekansı üzerinden alıcıya gönderir. Her ölçüm için örnekleme oranı, gönderilecek bilgiden çıkarılabilen ve atmosferik şartları temsil eden bir oran olmalıdır. Genel olarak radiosondelerin örnekleme oranları 1 den 6 ya kadar ikincil sıradadır. Elde edilen bilgiler, digital veya analog formlarda, radiosondenin taşıyıcı frekansı üzerinden AM (genliksel modül) veya FM (frekans modülasyonu) üzerinden gönderilebilir. Digital (sayısal) radiosondede sensör sinyalleri digitize (sayısallaştırma) edilir. NAVAID sensör içeren radiosondelerde ise, elektronik radiosondenin taşıyıcı frekansı ile NAVAID sinyalleri birleştirilir.



Ravinsonde rasatlarında, dünyada kullanılan farklı yer sistemleri bulunmaktadır. Bu yüzden istasyonlarımızda bulunan yer sistemlerinin ayrıntılarına girilmeyecektir. Çünkü bu sistemler gelişen ve değişen teknolojiye göre hızla yenilenmekte ve gereksiz ayrıntılar yok edilmektedir. Yer sistemleri tipik olarak izleme, bilgi alma, sinyal ve bilgi işleme fonksiyonlarını yerine getirmektedir.



Yer sistemlerinin antenleri, radiosonde cihazlarının sinyallerini arar, onun yardımıyla sinyal amplifikasyonu sağlarlar ve antenler yönsel ise radiosondelerin izlenmesine olanak sağlar. Eğer yön bulma rüzgar arama için faydalı ise, anten fonksiyonu sinyal şiddetinden çok daha önemlidir.



Bir Radyo Sinyal Arama (RDF) anteni, 1680 MHZ lik Meteorolojik Yardımlar Bandında bilgi nakleden bir radiosonde vericisini izlemek amacıyla tasarlanmıştır. Anten pozisyonu bilgisi, (yani, azimut ve elivasyon açıları) uçuş sırasında radiosonde pozisyonundaki değişmeleri belirlemek için, radiosondenin yükseklik hesaplamalarıyla birlikte elde edilmiştir. RDF antenleri bu açı değerlerini saptar. Pozisyondaki bu değişmeler uçuş sırasındaki karşılaşılan rüzgarın temsili olarak alınırlar. RDF anteni radioteodolit olarak ta adlandırılır. Bir parabolik çanak anten, 0.05 dereceye kadar azimut ve elivasyon açılarını tespit edebilir. Daha yeni jenerasyon RDF antenleri aynı doğrulukta açıları elde edebilir ve daha az hareketli parçaya sahiptir. Elverişli anten yükselme (elevation) açılarıyla RDF sistemleri 1 m/sn ye doğrulukta rüzgar unsuru sağlar.



RDF olamayan rüzgar bulma antenleri, radiosondenin telemetrik sinyalini yalnızca sezmeye ve genişletmeye ihtiyaç duyarlar. Şimdiki NAVAID işlem üniteleri, LORAN-C, VLF ve GPS sistemleri için kullanılmaktadırlar.






Radiosonde cihazı aracılığıyla elde edilen sinyaller, elektronik ortamda bilgisayara veri yani meteorolojik bilgiye dönüştürülür. Veri işleme üniteleri bilgisayarlar, uygun rasat programları ve yardımcı donanımlardan oluşmaktadır. Bu sistemlerin, rasatları inceleme, yayın yapma ve gözlem sonuçlarının kopyasını yapabilme gibi özelliklere sahip olması gerekmektedir. Gözlemler sonucunda oluşturulan en temel veri WMO standartlarına göre oluşturulan, Temp Kodu’dur. Ayrıca veri işleme sistemleri, devam eden rasadın gidişatı hakkında operatöre yardımcı olmalıdır. Bu amaca uygun olarak, SkewT-LogP diyagramı, Termodinamik diyagramlar ve rüzgar diyagramları rasat programında yer almalıdır. Ayrıca veri tabanı özelliğine de sahip olmalıdır.



Ravinsonde rasatlarının en temel amacı hava tahmini ve analizidir. Standart izobarik seviyelere ait yükseklik, basınç, sıcaklık, nem ve rüzgar bilgileri haritalara işlenerek hava tahmin ve analiz çalışmaları yapılır. Ravinsonde rasatları, günümüzde sayısal hava tahmin modellerinin en temel verilerindendir. Ayrıca sivil ve askeri amaçlı her türlü havacılık amaçları için ravinsonde rasatları çok önemlidir. Özellikle SkewT-LogP diyagramı lokal hava durumunun ravinsonde rasatları yardımıyla analizinde çok önemli bir işleve sahiptir. Hava kirliği tahmin, model ve analizi aşamalarında ravinsonde rasatları kullanılmaktadır.