Prowadzenie pomiarów meteorologicznych w górnych warstwach atmosfery jest jednym z najważniejszych zadań wszystkich służb pogodowych na świecie. Zebrane w ten sposób dane są bezcennym wkładem do matematycznych modeli prognostycznych i pozwalają właściwie przewidywać niebezpieczne zjawiska atmosferyczne. Instytut Meteorologii i Gospodarki Wodnej od blisko 100 lat skutecznie podąża w tej dziedzinie za światowymi trendami i dostarcza wiarygodnych informacji, z których korzystają m.in. służby lotnicze.
Historia pomiarów aerologicznych w Polsce sięga początku lat 20. XX wieku. Wojskowa i cywilna służba meteorologiczna zaczęły wówczas ściśle współpracować w ramach utworzonego w Państwowym Instytucie Meteorologicznym (PIM) Wydziału Aerologiczno-Wojskowego. Pierwszą sieć aerologiczną stanowiły wojskowe posterunki aerologiczne (jeden z nich w Jabłonnie), na których przeprowadzano próby pomiarów za pomocą meteografów unoszonych przez balony na uwięzi. Urządzenia zaopatrzone były w deformacyjne czujniki ciśnienia, temperatury i wilgotności oraz bęben zegarowy z układem rejestracji parametrów. Zebrane dane aerologiczne trafiały do pracowników Wydziału Aerologiczno-Wojskowego PIM, którzy przeprowadzali ich analizę i przygotowywali opracowania statystyczne.
W 1926 roku podjęto decyzję o budowie pierwszego obserwatorium aerologicznego wraz ze stacją latawcową. Dyrekcja PIM zwróciła się do Ministerstwa Rolnictwa z oficjalnym wnioskiem, wskazując Legionowo[i] jako miejsce przyszłej stacji. Lokalizacja nie była przypadkowa. W tym czasie funkcjonowały tam Kompania Balonów Zaporowych, Centralne Zakłady Balonowe i Wytwórnia Wodoru, a Departament IV Żeglugi Powietrznej Ministerstwa Spraw Wojskowych planował zainstalowanie radiostacji odbiorczo-nadawczej do celów lotniczo-meteorologicznych. Przeprowadzanie pomiarów aerologicznych za pomocą balonów na uwięzi i latawców było możliwe tylko w Legionowie, gdyż w związku z obecnością wojska przeloty samolotów nad tą miejscowością były wstrzymane. Dodatkowym argumentem był fakt, że Zarząd Dóbr hr. Maurycego Potockiego prowadził parcelację posiadłości ziemskich i pojawiła się możliwość nabycia terenu pod inwestycję po atrakcyjnej cenie. W 1928 roku rozpoczęto budowę Obserwatorium Aerologicznego, które oddano do użytku trzy lata później.
… ze świecą szukać
W nowopowstałym Obserwatorium dokonywano sondowań za pomocą latawców i balonów na uwięzi. Jean Lugeon, dyrektor PIM w latach 1931-1936, w książce Polski Państwowy Instytut Meteorologiczny pisał: „Obserwatorium otrzymało kolekcję latawców (1930) skonstruowanych przez R. Grunda z Pruskiego Obserwatorium Aerologicznego w Lindenbergu. Latawce to biplany o powierzchni 25 i 32 m2. (…) Średnia wysokość osiągana przez latawce wynosi 5000 m. Latawce wypuszcza się o godzinach: 05, 14 i 18. W zimie, przy ostatnim wypuszczeniu latawca, oświetla się go światłem 5000 świec. Stosowano próby z różnymi meteografami przyczepionymi do latawców. (…) Równolegle z sondowaniem przy pomocy latawców przeprowadzono sondowania umieszczając aparaturę pomiarową na wojskowych balonach na uwięzi”.
Pomiary aerologiczne z latawcami i balonami na uwięzi były ciężką i niebezpieczną pracą. Bardzo często mechaniczne rejestratory zrywały się i aby odczytać dane trzeba było prowadzi żmudne i czasochłonne poszukiwania. Na początku lat 30. pojawiły się pierwsze konstrukcje radiosond, które całkowicie zmieniły sposób prowadzenia pomiarów aerologicznych. Radiosondy mierzyły ciśnienie (P), temperaturę (T) i wilgotność (U) za pomocą czujników oraz przekazywały dane do naziemnej stacji radiowej jeszcze podczas wzlotu balonu swobodnego.
Pierwsze pomiary radiosondażowe przeprowadzono w 1938 roku. Stosowano wówczas radiosondy francuskie firmy Bureau, które pracowały w paśmie krótkofalowym 28 MHz i wyposażone były w czujniki ciśnienia (puszka Vidiego), temperatury (bimetal) oraz wilgotności (błona organiczna lub włos ludzki). Dodatkowo dzięki śledzeniu balonu można było opracować jego drogę wznoszenia i uzyskiwać dane pionowego profilu prędkości (v) oraz kierunku wiatru (d).
Wojenne straty i odbudowa
Wybuch wojny przerwał prace na stacji. Obserwatorium w Legionowie zostało zajęte przez Niemców, którzy przeznaczyli go na cele niezwiązane z meteorologią, a w 1944 roku całkowicie zburzyli. Budowa nowego obiektu trwała do 1952 r. Do tego czasu „aerologia” mieściła się w tymczasowych pomieszczeniach na Bielanach, gdzie pomiary wznowiono w 1947 roku. W Obserwatorium w Legionowie utworzono laboratorium cechowania radiosond, w którym składano aparaty Langa z elementów uzyskanych z magazynów poniemieckich, a także cechowano wszystkie czujniki.
Radiosondy Langa były wykorzystywane nie tylko w Legionowie. Pod koniec lat 50. powstały trzy nowe stacje radiosondażowe w Polsce – we Wrocławiu, Poznaniu i Koszalinie. Początkowo prowadzono pomiary trzech podstawowych parametrów: ciśnienia, temperatury i wilgotności, stosując rozwiązania podobnie do tych w sondzie Bureau. Dane do stacji odbiorczej transmitował nadajnik w paśmie 28 MHz, dlatego informacje o kierunku i prędkości wiatru podawano tylko w radiosondażach, które odbywały się w ciągu dnia, przy dobrych warunkach widzialności pionowej (zachmurzenie) umożliwiających śledzenie lotu balonu teodolitem optycznym. W latach 1958-1961 zakupiono radioteodolity marki Metox, które pracowały w paśmie 400 MHz i pozwalały na śledzenie radiosondy niezależnie od pory dnia i zachmurzenia.
W okresie 1961-1963 wprowadzono do polskiej służby aerologicznej francuskie radiosondy Metox z dokładniejszymi czujnikami oraz pewniejszym systemem komutacji i modulacji sygnału. Czujnikiem ciśnienia w radiosondzie Metox była podwójna puszka Vidiego o praktycznie zerowej bezwładności i dużej czułości, a czujnikiem temperatury płytka bimetalowa złożona ze stali, niklu i inwaru, o wymiarach 26×20×0,35 mm. Czujnikiem wilgotności była odtłuszczona błonka cielęca w kształcie prostokąta. Radiosondy i teodolity tej samej firmy utworzyły system radiosondażowy Metox działający już tylko w paśmie 400 MHz. Nie był to jednak system bez wad. Poważnym mankamentem był wpływ promieniowania słonecznego na jakość pomiarów. Czujniki w radiosondach, szczególnie mierzące temperaturę, były podatne na bezpośrednie działanie promieniowania słonecznego. Niewiele pomagało umieszczanie czujników w kominach wentylacyjnych, które utrudniały wypuszczanie i tak ciężkich wówczas radiosond (ok. 1,5 kg).
W 1963 roku na polskie stacje aerologiczne wprowadzono nowocześniejszą radiosondę A-22 produkcji ZSRR. Sonda ta, wraz z dotychczasowym radioteodolitem, stworzyła system Metox/A-22, który pracował na stacjach do połowy lat 70., a we Wrocławiu nawet do początku 80. A-22 była wyposażona w dokładniejsze od Metoxa czujniki PTU i bardzo stabilny system modulacji sygnału. Czujnikiem ciśnienia były dwie puszki Vidiego połączone termokompensatorem, dzięki któremu czułość wskaźnika ciśnienia była prawie jednakowa przy różnych temperaturach. Czujnik temperatury to wstęga bimetalu o grubości 0,13 mm, w kształcie rozciągniętej, cylindrycznej spirali, o małej bezwładności. Ochronę bimetalu przed promieniowaniem słonecznym stanowiła metalowa, wypolerowana osłona. Dodatkowo, producent radiosondy dostarczał tabelę niezbędnych poprawek radiacyjnych. Czujnikiem wilgotności była błonka organiczna naklejona na okrągły, metalowy pierścień.
W latach 1961-1970 sieć radiosondażowa w Polsce składała się z czterech stacji regularnie wykonujących pełne pomiary (P, T, U, d, v) o godz. 00 i 12 UTC oraz sondaże wiatru, tzw. radiopilotaże, o godz. 06 i 18 UTC. Warto wspomnieć, że radiosonda wiatrowa, oznakowana symbolem RMW, była urządzeniem polskiej konstrukcji – produkowano ją w Zakładach Elektronicznych „Warel”. Sonda ta nie miała czujników temperatury i wilgotności, a czujnik ciśnienia był pozbawiony termokompensatora. Odczytywany na ekranie radioteodolitu sygnał pozwalał na śledzenie radiosondy we współrzędnych kątowych, podobnie jak przy pełnym sondażu.
Lżejsze i dokładniejsze
Kolejny okres rozwoju aerologii to lata 1971-1991, w których do pomiarów radiosondażowych zaczęto wykorzystywać technikę radiolokacyjną. Pierwszy radar do pomiarów radiosondażowych, Meteoryt 1, został wdrożony w Legionowie 1 lipca 1971 roku. Z wprowadzeniem radarów wiązała się też zmiana radiosond na model RKZ, w których czujnikiem temperatury był termistor zamontowany na metalowej ramce. Pokryto go białą emalią o dużej zdolności odbicia, dzięki czemu nie musiano już stosować osłon przed promieniowaniem słonecznym. Czujnikiem wilgotności była membrana z błony zwierzęcej wmontowana w obudowę radiosondy. Radiosondy te nie miały natomiast czujnika ciśnienia. Pionowy rozkład ciśnienia wyliczany był ze wzoru barometrycznego na podstawie rozkładu temperatury i wilgotności w funkcji wysokości, poczynając od ciśnienia P0 na poziomie stacji. System Meteoryt 1 odbierał i rejestrował następujące parametry: czas lotu, wartość kąta pionowego i poziomego, odległość od radiosondy oraz temperaturę i wilgotność. Dane kątowe i odległość stacja-radiosonda służyły do obliczenia wysokości wzlotu radiosondy oraz do opracowania danych wiatrowych. Przy dokładnych pomiarach wysokości, obliczana wartość ciśnienia była dokładniejsza niż w przypadku pomiaru puszką Vidiego.
System pomiarowy Meteoryt/RKZ przechodził z czasem modernizację. Radary Meteoryt 1 zostały zastąpione radarami Meteoryt 2, o większym potencjale i zasięgu, a radiosondy RKZ – lżejszymi i nowocześniejszymi sondami MARZ. Radiosondy MARZ były efektem miniaturyzacji RKZ, opartej na przejściu z techniki lampowej na półprzewodnikową. Zmniejszeniu uległy nie tylko wymiary, ale i ciężar. Radiosonda RKZ z baterią gotową do lotu ważyła ok. 1,6 kg, natomiast MARZ tylko ok. 0,5 kg. Czujniki do pomiarów parametrów meteorologicznych były takie same w obu urządzeniach.
Z wprowadzeniem radarów związana była zmiana lokalizacji dwóch stacji aerologicznych. Położenie stacji w Koszalinie i we Wrocławiu wykluczało zastosowanie radarów. Dlatego pomiary radiosondażowe ze stacji w Koszalinie zostały przeniesione do Łeby jesienią 1971 roku, a radar wprowadzono tam 1 stycznia 1973 roku. We Wrocławiu zmiana lokalizacji stacji była procesem znacznie dłuższym. Pierwszy radar uruchomiono tam dopiero 1 sierpnia 1990 roku, po wybudowaniu nowej stacji obok lotniska Strachowice. Do tego czasu we Wrocławiu pracował ciągle system radioteodolitowy Metox/A-22.
Czas automatyzacji – wyżej i według GPSa
Na początku lat 90. zaczęto w pomiarach aerologicznych wprowadzać nowoczesną technologię, m.in. wdrożono w pełni zautomatyzowany system sondażowy DigiCORA fińskiej firmy Vaisala. W Legionowie uruchomiono go 1 grudnia 1991 roku, w Łebie 1 stycznia 1992 roku, a we Wrocławiu 1 stycznia 1993 roku. Stacja w Poznaniu została zamknięta wiosną 1992 roku i zakończyła swoją pracę na systemie Meteoryt.
Pierwszymi sondami używanymi w systemie DigiCORA były radiosondy tego samego producenta: RS80 i RS90. Miały one trzy miniaturowe czujniki PTU w postaci kondensatorów. Precyzja pomiarów była nieporównywalna z sondami MARZ. Najlepiej obrazuje to wielkość poprawek radiacyjnych. W sondach MARZ w skrajnych przypadkach, czyli o godz. 12 UTC w miesiącach letnich, poprawka ta mogła przekraczać 10°C, natomiast w sondach RS80 nie przekraczała 2,5°C, a w RS90 0,6°C. Ponadto nowe sondy przy pomiarach nocnych uwzględniały również wpływ promieniowania podczerwonego ze strony układu ziemia–atmosfera. Obie poprawki automatycznie wprowadzał program, dysponując danymi o terminie pomiaru i wysokości wzlotu radiosondy. Radiosondy RS80 i RS90 wyposażone były również w system nawigacji radiowej oraz nadajnik pracujący w paśmie 403 MHz. System DigiCORA odbierał dane, a wyniki były automatycznie opracowywane i zapisywane w formie wydruków i na nośnikach elektronicznych. W latach 1993-1997 do śledzenia toru lotu radiosondy wykorzystywany był system nawigacji radiowej OMEGA, a w kolejnych latach LORAN C.
W 1979 roku uruchomiono w Legionowie systematyczne sondaże rozkładu pionowego ozonu w atmosferze. Początkowo używano czujnika OSE, Brewer-Mast, produkcji NRD. W 1993 roku została wdrożona nowa sonda ozonowa z czujnikiem ECC-5, firmy Science Pump Corporation z USA, współpracująca z systemem DigiCORA. Od końca 1997 roku używano czujnika ECC-6A, obecnie ECC-6AB. Wszystkie czujniki działają na zasadzie pomiaru prądu przepływającego między dwoma elektrodami zanurzonymi w roztworze jodku potasu, podlegającemu pod wpływem ozonu atmosferycznego procesowi utleniania redukcji. Komora elektrochemiczna, w której odbywa się ten proces jest umieszczona w izolującej obudowie, chroniącej roztwór chemiczny przed zamarznięciem. Powietrze z otoczenia jest podawane do komory za pomocą zasilanej bateryjnie pompki ssąco-tłoczącej. Sygnał z czujnika ozonu za pośrednictwem radiosondy jest przekazywany do stacji naziemnej. Sondaże ozonowe wykonywane są nieprzerwanie do dziś raz w tygodniu, w środę o godz. 12 UTC.
Wraz ze zmianą systemów sondażowych poprawiała się jakość mierzonych parametrów, ale warto też wspomnieć o wysokości sondaży. Profile atmosferyczne mierzone systemem Langa osiągały średnią wysokość ok. 12 km. Przy systemie Metox było to już 17 km, a przy systemie Meteoryt średnia wysokość sondażu wynosiła 22 km. Pionowe profile parametrów meteorologicznych otrzymane z systemu DigiCORA osiągają ponad 30 km. Wysokość radiosondażu zależy przede wszystkim od jakości balonów meteorologicznych. Początkowo wykorzystywane balony wymagały pracochłonnej obróbki termicznej i chemicznej w celu uplastycznienia balonu. Na jakość balonów miał również wpływ czas ich składowania. Obecnie wykorzystywane, lateksowe balony japońskiej firmy TOTEX nie wymagają specjalistycznego przygotowania, umożliwiają długi czas składowania, osiągając przy tym średnie wysokości powyżej 30 km.
W 2004 roku radiosondy RS80 i RS90 zostały zastąpione RS92. Nowe sondy różniły się obudową oraz rozwiązaniami elektronicznymi. RS92 mają zapisane w sobie fabryczne współczynniki kalibracyjne, które są automatycznie odczytywane i wprowadzane do systemu. Takiego rozwiązania nie było w ich poprzedniczkach, wcześniej współczynniki te musiały być wprowadzone do systemu z taśmy perforowanej. W 2005 roku nastąpiła pierwsza modernizacja systemów radiosondażowych firmy Vaisala. Stacje aerologiczne zostały wyposażone w systemy DigiCORA MW21, umożliwiające śledzenie radiosondy z wykorzystaniem nawigacji satelitarnej GPS. Obecnie używane są wyłącznie radiosondy, których pozycję określa się na podstawie GPS.
Przed lotem każda radiosonda jest kalibrowana na stanowisku testowym. Po wypuszczeniu, radiosonda w trakcie całego lotu na bieżąco przekazuje informacje o zmierzonych parametrach meteorologicznych oraz o swoim położeniu. Na podstawie trajektorii sondy wyznaczany jest bieżący kierunek i prędkość wiatru. Wyniki obliczeń prezentowane są w postaci wykresów na komputerze operatora. Po zakończeniu sondażu wyniki są kodowane w postaci depeszy meteorologicznej i przesyłane do odbiorców krajowych oraz światowej sieci wymiany danych meteorologicznych (GTS).
W 2015 roku została przeprowadzona druga modernizacja systemu Vaisala do wersji MW41, która umożliwiła korzystanie z najnowszej radiosondy RS41. W związku z rosnącymi cenami radiosond i koniecznością ograniczenia liczby wykonywanych pomiarów przez mniej zamożne służby meteorologiczne, a także z dostępnością dokładnych pomiarów wysokości sondy za pomocą systemu GPS, producenci opracowali wersje radiosond pozbawione czujnika ciśnienia. Ciśnienie w tym rozwiązaniu wyliczane jest na podstawie wysokości oraz zmierzonych wielkości meteorologicznych. Takiego typu sondy (bez czujnika ciśnienia) są używane w IMGW-PIB od jesieni 2015 roku.
Kolejnym etapem unowocześniania pomiarów aerologicznych jest ich pełna automatyzacja. Dotychczas pomiary wykonywane były półautomatycznie, tj. obserwator musiał napełnić balon meteorologiczny wodorem, zamocować jednorazową radiosondę i o określonej godzinie, dwa razy dziennie, wypuścić balon do atmosfery. Śledzenie lotu radiosondy, odbiór zmierzonych danych, ich przetwarzanie i dalsza dystrybucja były już zautomatyzowane. W 2021 roku zakupiono trzy automatyczne stacje radiosondażowe Robotsonde firmy Modem SAS. Nowa aparatura stanęła w Łebie, Wrocławiu oraz Tarnowie, gdzie dotychczas nie prowadzono pomiarów aerologicznych. Z automatyzacji wyłączono jedynie stację w Legionowie, na której wykonywane są pomiary ozonu. Dane z nowych urządzeń przekazywane są operacyjnie od 1.01.2022 (Łeba), 1.02.2022 (Wrocław) i 15.06.2022 (Tarnów).
Radiosondażowe pomiary wielkości meteorologicznych w górnych warstwach atmosfery powoli, acz stale ewoluują. Pomimo istnienia metod teledetekcyjnych (radary, lidary, sodary, radiometry mikrofalowe, pomiary satelitarne), pomiary in-situ są nadal niezastąpione jako źródło danych referencyjnych, używanych to kalibracji i kontroli urządzeń teledetekcyjnych. Platformą dla czujników meteorologicznych nadal będą stanowić radiosondy unoszone przez balony, samoloty (program AMDAR), a niedługo zapewne dołączą do nich drony. Nic nie jest jednak w stanie zastąpić klasycznych pomiarów radiosondażowych, a to ze względu na uzyskiwany dzięki nim szeroki przekrój atmosfery, sięgający od powierzchni ziemi aż do stratosfery.
[i] W tamtym czasie teren obecnego Legionowa funkcjonował pod nazwą Jabłonna. W 1919 gen. Bolesław Roja będący dowódcą stacjonujących tam legionów nadał garnizonowi nazwę Legionowo. Po parcelacji majątku Potockich w latach 1926-1928 wyznaczono siatkę ulic obecnego Legionowa i w 1930 z gminy Jabłonna wyodrębniono gminę Legionowo.
Oprac. Grzegorz Zabłocki, Julita Biszczuk-Jakubowska | Centrum Hydrologiczno-Meteorologicznej Sieci Pomiarowo-Obserwacyjnej, IMGW-PIB.
