Roberto Sozzi (ARPA Lazio) Teodoro Georgiadis (CNR-IBIMET ...

9 - TECNICHE PER L’OSSERVAZIONE DEL PBL.—————————————————————————⎯⎯——————————9.8.1.4 Anemometro ultrasonicoL’anemometro ultrasonico è attualmente lo strumento principe per lo studio della turbolenzaatmosferica e, nella versione più diffusa, non è solo uno strumento per la misura delle componenti delvento e ma anche della temperatura. Paradossalmente l’idea dell’anemometro ultrasonico non è moltorecente, anche se le difficoltà tecniche nella sua costruzione sono state superate solo grazie all’avventodella nuova tecnologia elettronica ed informatica. Il primo uso noto dell’antenato di tale anemometronella misura della turbolenza atmosferica si riscontra nel famoso Progetto Sperimentale Prairie Grasscondotto nella metà degli anni ’50. Chi lo ha proposto fu V.E. Suomi dell’Università del Wisconsin.Quasi contemporaneamente, Bovsheverov, Voronov e Gurvich svilupparono all’Università di Mosca nel1958 un prototipo molto simile di anemometro sonico, (Monin e Yaglom ,1971). Da allora tale strumentosi è sviluppato lentamente, interiorizzando le tecnologie elettroniche più attuali, ed è entrato nell’usocomune in micrometeorologia grazie ad un nutrito numero di ricercatori su cui svetta principalmenteKaimal che ha avuto il merito di portarlo al livello tecnologico attuale.Principi di funzionamentoIl principio fisico su cui si basa l’anemometro ultrasonico è la variazione del tempo di propagazione delsuono che si riscontra nei fluidi in movimento. Per meglio comprendere i principi su cui si fonda èopportuno riassumere brevemente alcune nozioni di base. Un impulso sonoro generato in un fluido inquiete, cioè una variazione locale di pressione e di densità, si propaga con la velocità del suono c datadalla relazione seguente:2c = cpacvaRTv[9.39a]dove C pa e C va sono il calore specifico a pressione e volume costante dell’aria umida, R è la costantedei gas (287 J⋅kg -1 K -1 ) e T v è la temperatura virtuale. Indicando con P la pressione atmosferica e con ela tensione di vapore dell’acqua in aria, questa relazione può essere semplificata con ottimaapprossimazione nella maniera seguente:( 1+0.32 e P)c 2 ≅ 402.7 ⋅ T ⋅ ⋅ /[9.39b]A differenza delle onde elettromagnetiche, le onde sonore richiedono un mezzo per essere trasportate ese quest’ultimo è in movimento rispetto ad un dato sistema di riferimento, la velocità dell’impulso sonorovaria la propria velocità (sempre relativamente a questo sistema di riferimento) in funzione dellavelocità del mezzo in cui si propaga. E’ questo, in pratica, l’unico principio su cui si fonda ilfunzionamento dell’anemometro sonico.Si consideri ora la Fig.9.17 in cui è illustrato un semplice caso (Kaimal, 1982, Kaimal, 1994). Siimmagini che ci siano due coppie di emettitori-ricevitori di impulsi sonori nella geometria indicata. Ladistanza che separa ogni emettitore dal proprio ricevitore sia la medesima e pari a d (path dellacoppia). La differenza tra le due coppie sta nel fatto che l’emettitore T 1 sta a brevissima distanza dalproprio ricevitore R 1 e viceversa per T 2 e R 2 (nella realtà costruttiva attuale T 1 e R 2 coincidono e cosìpure T 2 e R 1 ). Pertanto un impulso emesso da T 1 farà un percorso inverso all’impulso emesso da T 2 . Seil fluido (l’aria) è fermo, il percorso dei due impulsi sarà uguale e contrario ed il tempo t 1 necessarioperché il primo impulso raggiunga R 1 sarà esattamente uguale al tempo t 2 impiegato dal secondoimpulso. Le cose cambiano se l’aria è in movimento. Se il movimento dell’aria è descritto dal vettore Vindicato in figura, allora i percorsi acustici seguiti dai due impulsi saranno quelli indicati nella partedestra della figura. Semplici considerazioni geometriche portano alle relazioni seguenti:———————————————————————————⎯⎯————————- 349 -