Roberto Sozzi (ARPA Lazio) Teodoro Georgiadis (CNR-IBIMET ...
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9 - TECNICHE PER L’OSSERVAZIONE DEL PBL.—————————————————————————⎯⎯——————————in cui le temperature sono misurate in (°C) e la pressione atmosferica P in (hPa). Nella relazioneprecedente, con e s (T w ) si è indicata la tensione di saturazione alla temperatura T w , che si può calcolarecon la relazione (1.8).Fig.9.30: struttura di uno psicrometro (Kaimal e Finnigan, 1994).Nella Fig.9.30, è disegnato di un tipico psicrometro. Come si nota, entrambi i termometri (normalmentecostituiti da una termoresistenza o da una termocoppia) sono alloggiati entro uno schermo mantenuto aventilazione forzata e sono posti molto vicini l'un l'altro in modo da non indurre errori di misuradeterminati dal posizionamento dei due termometri in punti dello spazio a temperatura differente.Maggiori dettagli sugli psicrometri si possono trovare in Munro (1980) e Kimball e Mitchell (1981).Questo strumento è estremamente preciso, ma di difficile impiego dato è necessario garantirecostantemente la superficie umida del termometro a bulbo umido. Per quanto riguarda la sua velocità,essa dipende dalle dimensioni fisiche dei due termometri e quindi non c’è da stupirsi se lo psicrometro èstato occasionalmente impiegato come sensore a risposta rapida per la misura delle fluttuazioni diumidità e di ciò si parlerà a proposito dei sensori di umidità a risposta rapida.Sensori a punto di rugiadaUn’alternativa alla misura della temperatura a bulbo secco e a bulbo umido è misurare la temperaturadi rugiada, cioè quella temperatura a cui la reale quantità di vapor d’acqua presente nell’aria èsufficiente a saturarla. Nel Cap.1 è stata presentata una formula che mette in relazione la temperaturadi rugiada T R con la tensione di vapore e, quindi è sufficiente solo la misura di T R per determinare latensione di vapore presente nell’aria.La temperatura di rugiada in un dato ambiente si ottiene misurando la temperatura di una superficiefredda affacciata all’ambiente, al momento in cui su di essa, per effetto dell’abbassamento dellatemperatura, si forma una goccia d’acqua. La superficie fredda è normalmente uno specchio incontatto con un elemento refrigerante, costituito normalmente da una cella di Peltier. La parte piùcomplicata del sistema è quella a cui viene affidato il compito di individuare l’istante in cui si forma lagoccia per fare in modo che la temperatura dello specchio, una volta raggiunta la temperatura dirugiada, si mantenga tale. Un sistema spesso impiegato consiste nell’illuminare perpendicolarmente lospecchio su cui si formerà la goccia; nel momento in cui questa si formerà la luce verrà diffusa e andràa colpire una cella fotosensibile che produrrà un segnale elettrico, che a sua volta, servirà al sistema di———————————————————————————⎯⎯————————- 371 -
9 - TECNICHE PER L’OSSERVAZIONE DEL PBL.—————————————————————————⎯⎯——————————regolazione per alimentare adeguatamente la cella di Peltier in modo da mantenere la temperatura dellospecchio costante. In Fig.9.31 è presentato schematicamente un tale sistema.Fig. 9.31: igrometro a punto di rugiada (Kaimal e Finnigan, 1994)9.8.3.2 Igrometri a risposta veloceGli igrometri a risposta veloce hanno come funzione principale non tanto quella di misurare conaccuratezza l’umidità dell’aria, quanto piuttosto quella di misurare con accuratezza le fluttuazioni neltempo di tale variabile. Pertanto, perché ciò sia possibile è necessario che il sensore sia a rispostaveloce. Due sono le possibilità pratiche sfruttate normalmente. La prima è costituita dall’impiego dipsicrometri in cui i termometri siano di piccolo diametro. Se il ridotto diametro consente al termometro abulbo secco di raggiungere tempi di risposta molto ridotti, per un termometro identico con bulbobagnato, la presenza della garza bagnata, aumenta il tempo di risposta, raggiungendo valori di circa diecivolte quello del termometro a bulbo secco. In Cheney e Businger (1990) e Kalogiros e Helmis (1993)sono presentati esempi di applicazioni di psicrometri veloci per misurare le fluttuazioni dell’umiditàdell’aria (e quindi del flusso latente di calore) ed anche metodi impiegati per correggere gli effettidell’aumento del tempo di risposta del termometro a bulbo bagnato. Senza dubbio, però, i sensori piùimpiegati per la misura delle fluttuazioni di umidità si basano sull’assorbimento di radiazione (infrarossao ultravioletta) da parte del vapor d’acqua.Igrometri all’infrarossoLa trasmittanza τ dell’aria, (Hay, 1982), è legata al coefficiente di estinzione γ dalla relazione:τ = exp ( − γD)[9.60a]in cui la D è la distanza (path) del mezzo attraversato dalla radiazione ed, in generale, si ha che:γ = α + β[9.60b]dove α rappresenta le perdite per assorbimento e β lo scattering delle particelle e delle molecole. Ledue equazioni precedenti si possono impiegare in pratica in due modi diversi. Nel primo modo sicostruisce un apparato dotato di due path paralleli lungo i quali vengono inviati due fasci di radiazione adue lunghezze d’onda differenti ma vicine. In questo caso, vista la vicinanza tra le due lunghezzed’onda, si può dimostrare che β è approssimativamente uguale per entrambi i path, mentre, se sisceglie in maniera opportuna la regione spettrale della radiazione impiegata, un path mostra un αtrascurabile mentre l’altro un assorbimento vigoroso. In questo modo la misura differenziale di τ a due———————————————————————————⎯⎯————————- 372 -
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9 - TECNICHE PER L’OSSERVAZIONE DEL PBL.—————————————————————————⎯⎯——————————regolazione per alimentare adeguatamente la cella di Peltier in modo da mantenere la temperatura dellospecchio costante. In Fig.9.31 è presentato schematicamente un tale sistema.Fig. 9.31: igrometro a punto di rugiada (Kaimal e Finnigan, 1994)9.8.3.2 Igrometri a risposta veloceGli igrometri a risposta veloce hanno come funzione principale non tanto quella di misurare conaccuratezza l’umidità dell’aria, quanto piuttosto quella di misurare con accuratezza le fluttuazioni neltempo di tale variabile. Pertanto, perché ciò sia possibile è necessario che il sensore sia a rispostaveloce. Due sono le possibilità pratiche sfruttate normalmente. La prima è costituita dall’impiego dipsicrometri in cui i termometri siano di piccolo diametro. Se il ridotto diametro consente al termometro abulbo secco di raggiungere tempi di risposta molto ridotti, per un termometro identico con bulbobagnato, la presenza della garza bagnata, aumenta il tempo di risposta, raggiungendo valori di circa diecivolte quello del termometro a bulbo secco. In Cheney e Businger (1990) e Kalogiros e Helmis (1993)sono presentati esempi di applicazioni di psicrometri veloci per misurare le fluttuazioni dell’umiditàdell’aria (e quindi del flusso latente di calore) ed anche metodi impiegati per correggere gli effettidell’aumento del tempo di risposta del termometro a bulbo bagnato. Senza dubbio, però, i sensori piùimpiegati per la misura delle fluttuazioni di umidità si basano sull’assorbimento di radiazione (infrarossao ultravioletta) da parte del vapor d’acqua.Igrometri all’infrarossoLa trasmittanza τ dell’aria, (Hay, 1982), è legata al coefficiente di estinzione γ dalla relazione:τ = exp ( − γD)[9.60a]in cui la D è la distanza (path) del mezzo attraversato dalla radiazione ed, in generale, si ha che:γ = α + β[9.60b]dove α rappresenta le perdite per assorbimento e β lo scattering delle particelle e delle molecole. Ledue equazioni precedenti si possono impiegare in pratica in due modi diversi. Nel primo modo sicostruisce un apparato dotato di due path paralleli lungo i quali vengono inviati due fasci di radiazione adue lunghezze d’onda differenti ma vicine. In questo caso, vista la vicinanza tra le due lunghezzed’onda, si può dimostrare che β è approssimativamente uguale per entrambi i path, mentre, se sisceglie in maniera opportuna la regione spettrale della radiazione impiegata, un path mostra un αtrascurabile mentre l’altro un assorbimento vigoroso. In questo modo la misura differenziale di τ a due———————————————————————————⎯⎯————————- 372 -