ラジオゾンデ

ラジオゾンデは、電池駆動の遠隔測定機器で、通常は気象観測気球によって大気中に運ばれ、さまざまな大気パラメータを測定し、それを地上の受信機に無線で送信します。現代のラジオゾンデは、高度、気圧、気温、相対湿度、風（風速と風向の両方）、高高度での宇宙線の測定値、地理的位置（緯度/経度）などの変数を測定または計算します。オゾン濃度を測定するラジオゾンデはオゾンゾンデとして知られています。^[1]

ラジオゾンデは、 403 MHzまたは 1680 MHz の無線周波数で作動します。上昇しながら位置を追跡して風速と風向の情報を提供するラジオゾンデは、レーダー ウィンド ゾンデ(「レーダー ウィンド ゾンデ」) と呼ばれます。^{[2] [3]} ほとんどのラジオゾンデにはレーダー反射器があり、技術的にはレーダー ゾンデです。気球で運ばれるのではなく、飛行機から落とされて落下するラジオゾンデは、ドロップゾンデと呼ばれます。ラジオゾンデは気象データの重要な情報源であり、毎日世界中で何百ものラジオゾンデが打ち上げられています。

航空学の機器の最初の飛行は、19 世紀後半に凧と気象計を使って行われました。気象計は、実験後に回収される気圧と温度を測定する記録装置です。凧は地面に取り付けられており、突風の吹く状況で操作するのが非常に困難であったため、これは困難であることが判明しました。さらに、地面に取り付けられているため、観測は低高度に限られていました。

フランスのギュスターヴ・エルミートとジョルジュ・ブザンソンは、1892年に初めて気球を使って気象計を飛ばした。1898年、レオン・テセラン・ド・ボルトはトラップの力学気象観測所で、これらの気球を初めて日常的に使用する計画を立てた。これらの打ち上げデータによると、気温はある高度までは高度とともに低下し、季節によって変化し、その高度を超えると安定することがわかった。ド・ボルトによる対流圏界面と成層圏の発見は、1902年にフランス科学アカデミーで発表された。^[4]リチャード・アスマンやウィリアム・ヘンリー・ダインズなどの他の研究者も、同時期に同様の機器を使って研究していた。

1924年、アメリカ通信部隊のウィリアム・ブレア大佐は、無線回路の温度依存性を利用して、気球から気象を測定する最初の原始的な実験を行った。気象センサーから正確にコード化されたテレメトリを送信する最初の真のラジオゾンデは、フランスのロバート・ビューロ [fr]によって発明された。ビューロは「ラジオゾンデ」という名前を作り出し、1929年1月7日に最初の機器を飛ばした。^{[4] [5]} 1年後、パベル・モルチャノフは独自に開発し、1930年1月30日にラジオゾンデを飛ばした。モルチャノフの設計は、その単純さと、センサーの読み取り値をモールス信号に変換するため、特別な機器や訓練なしで簡単に使用できることから、人気の高い標準となった。^[6]

改良型モルチャノフゾンデを用いて、セルゲイ・ベルノフは高高度での宇宙線の測定に初めてラジオゾンデを使用した。1935年4月1日、彼は2次的な放射線シャワーを数えるのを避けるために、アンチコインシデンス回路で一対のガイガーカウンターを使用して、13.6 km (8.5 mi) までの測定を行った。 ^{[6] [7]}これはこの分野で重要な技術となり、ベルノフはその後数年間、陸上と海上でラジオゾンデを飛ばし、地球の磁場によって引き起こされる放射線の緯度依存性を測定した。

1936年、米海軍は米国規格協会（NBS）に海軍が使用する公式ラジオゾンデの開発を委託した。^[8] NBSは、以前に無線航法に取り組み、飛行機のブラインド着陸システムを発明したハリー・ダイアモンドにこのプロジェクトを委託した。 ^{[9]ダイアモンドが率いた組織は、最終的に（1992年に）}米陸軍研究所の一部となった。1937年、ダイアモンドは仲間のフランシス・ダンモア、ウィルバー・ヒンマン・ジュニアとともに、抵抗容量緩和発振器の助けを借りて音声周波数サブキャリア変調を採用したラジオゾンデを開発した。さらに、このNBSラジオゾンデは、電気センサーの使用により、当時の従来のラジオゾンデよりも高い高度で温度と湿度を測定できた。^{[8] [10]}

1938年、ダイアモンドはラジオゾンデ用の最初の地上受信機を開発し、これが海軍でNBSラジオゾンデが初めて実用化されるきっかけとなった。その後1939年、ダイアモンドと彼の同僚は「リモートウェザーステーション」と呼ばれる地上ラジオゾンデを開発し、遠隔地や過酷な場所の気象データを自動的に収集できるようにした。^[11] 1940年までに、NBSラジオゾンデシステムには圧力駆動装置が組み込まれ、圧力の関数として温度と湿度を測定した。^[8]また、大気中の雲の厚さと光の強度に関するデータも収集した。^[12]このほか、コスト（約25ドル）、重量（1キログラム超）、精度などの改善により、研究目的で全国で数十万台のNBSスタイルのラジオゾンデが製造され、この装置は米国気象局に正式に採用された。^{[8] [10]}

ダイアモンドは、電波気象学への貢献により、1940年にワシントン科学アカデミー工学賞を受賞し、1943年にはIREフェロー賞（後にハリー・ダイアモンド記念賞に改名）を受賞した。^{[11] [13]}

1930年代に 経済的に重要な政府の気象予報サービスが拡大し、データに対する需要が高まったため、多くの国が定期的なラジオゾンデ観測プログラムを開始することになった。

1985年、ソ連のベガ計画の一環として、2機の金星探査機ベガ1号とベガ2号がそれぞれ金星の大気圏にラジオゾンデを投下した。ゾンデは2日間にわたって追跡された。

衛星、航空機、地上センサーによる現代のリモートセンシングは、大気データのソースとしてますます増えていますが、これらのシステムのどれも、ラジオゾンデ観測の垂直解像度（30メートル（98フィート）以下）と高度範囲（30キロメートル（19マイル））に匹敵することはできないため、現代の気象学にとって不可欠なものとなっています。^[2]

年間を通じて毎日世界中で何百ものラジオゾンデが打ち上げられているが、ラジオゾンデによる死亡事故はまれである。最初の例は、1943年にアメリカの高圧電力線からラジオゾンデを外そうとした作業員が感電死した事件である。 ^{[14] [15]} 1970年には、アエロフロート1661便のアントノフ24が飛行中にラジオゾンデに衝突して制御不能に陥り、乗員乗客45人全員が死亡した。

ヘリウムまたは水素を充填したゴム製またはラテックス製の風船が、この装置を大気圏に打ち上げる。風船が上昇する最高高度は、風船の直径と厚さによって決まる。風船の大きさは100～3,000 g（3.5～105.8 oz）である。風船が大気圏を上昇するにつれ、圧力が下がり、風船が膨張する。最終的に、風船は膨張して外皮が破れ、上昇を停止する。800 g（28 oz）の風船は、高度約21 km（13 mi）で破裂する。^[16] 破裂後、ラジオゾンデの支持ラインに取り付けられた小さなパラシュートが、地球への降下速度を遅くするが、破裂した風船の残骸による空気抵抗と、パッケージ自体の非常に軽い重量に頼ることもある。典型的なラジオゾンデの飛行時間は60～90分である。フィリピンのクラーク空軍基地からのラジオゾンデ1つは、高度155,092フィート（47,272メートル）に到達しました。

現代のラジオゾンデは、すべての変数をリアルタイムで保存するコンピュータと無線で通信します。最初のラジオゾンデは地上から経緯儀で観測され、位置から風の推定値のみを提供しました。通信隊によるレーダーの出現により、SCR-658 レーダーを使用して気球に搭載されたレーダー目標を追跡できるようになりました。現代のラジオゾンデは、無線方向探知機やGPSなど、風速と風向を判断するためのさまざまなメカニズムを使用できます。ラジオゾンデの重量は通常 250 g (8.8 オンス) です。

ラジオゾンデは、気球で上空に運ばれるのではなく、航空機から投下されて展開されることもあります。このようにして展開されるラジオゾンデはドロップゾンデと呼ばれます。

ラジオゾンデ気象気球は、従来、湿度、温度、気圧、風速、風向などの大気のプロファイルを測定する手段として使用されてきました。^[17]上空のモニタリングと地上観測から得られる高品質で空間的および時間的に「連続した」データは、気象状況や気候の傾向を理解し、社会の福祉のために気象および気候情報を提供するための重要な基盤です。信頼性が高くタイムリーな情報は、社会が異常気象や変化する気候パターンに備えるための基盤となります。^[17]

世界中には、約1,300のラジオゾンデ発射場があります。^[18]ほとんどの国は、国際協定を通じて世界の他の国々とデータを共有しています。ほぼすべての定期的なラジオゾンデの発射は、約2時間の上昇中に観測時間の中心となるように、公式観測時間の0000 UTCと1200 UTCの1時間前に行われます。^{[19] [20]ラジオゾンデの観測は}、天気予報、悪天候の 監視と警報、大気研究 にとって重要です。

アメリカ国立気象局は、92 の観測所から1日2回ラジオゾンデを打ち上げており、うち69はアメリカ本土、13はアラスカ、9は太平洋、1はプエルトリコにある。また、カリブ海にある10のラジオゾンデ観測所の運用も支援している。^[20] 米国が運営する陸上発射場の一覧は、1997年5月の連邦気象ハンドブック第3号^{[22] 「ラウィンゾンデとピバル観測」の付録C「米国の陸上ラウィンゾンデ観測所」 [21]}に掲載されている。

英国は、ヴァイサラRS41ラジオゾンデ^[23]を 1日4回（UTCの00、06、12、18の1時間前）、6か所の発射場（南から北）から 打ち上げている。打ち上げ場は、イングランド南西部のカンボーン（緯度、経度）=（50.218、-5.327） 、南東海岸近くのハーストモンスー（50.89、0.318）、イングランド中部のワットナル（53.005、-1.25）、北アイルランドのネイ湖南東隅近くのカストル湾（54.50、-6.34）、イングランド北東部のアルベマール（55.02、-1.88）、スコットランドのシェトランド諸島のラーウィック（60.139、-1.183）である。^{[24] [25]}

生の上層大気データは、数値モデルを実行するスーパーコンピュータによって日常的に処理されます。予報官は、データをSkew-T log-P図、テフィグラム、またはStüve図などの熱力学図にプロットしたグラフィック形式で表示することが多く、これらはすべて、大気の温度と湿度の垂直熱力学プロファイルや垂直風プロファイルの運動学を解釈するのに役立ちます。 ^[17]

ラジオゾンデのデータは、数値天気予報の極めて重要な要素です。ゾンデは90分から120分の飛行中に数百キロメートル漂う可能性があるため、モデルの初期化に問題が生じる可能性があると懸念されるかもしれません。^[17]しかし、成層圏のジェット気流領域を除いて、これはおそらく局所的にはそうではないようです。 ^[26]この問題は、将来、位置を正確に制御し、漂流を補正できる気象ドローンによって解決される可能性があります。 ^[27]

残念なことに、異常気象や気候変動の影響に対して非常に脆弱なアフリカなどの開発途上地域では、地上および高層大気の観測が不足しています。この問題の憂慮すべき状況は、2020年に世界気象機関によって強調され^[28]、「アフリカの状況は、地上観測で最も重要なラジオゾンデ飛行数が2015年から2020年にかけてほぼ50％劇的に減少していることを示しています。現在、報告の地理的範囲は狭くなっています」と述べています。過去20年間で、アフリカの約82％の国で、深刻（57％）および中程度（25％）のラジオゾンデデータギャップが発生しています^[17] 。この悲惨な状況により、アフリカおよび世界全体でデータギャップを早急に埋める必要があるという声が上がっています。最も脆弱な社会がいくつか存在する地球の陸地の大部分に膨大なデータギャップがあるため、前述の呼びかけは、今後10年間で「データギャップを埋める」ことと観測ネットワークのさらなる劣化を食い止めることを目指す世界的な取り組み^[29]を活性化させた。

国際電気通信連合によれば、気象支援サービス（気象支援無線通信サービスともいう）は、ITU無線通信規則（RR）第1.50条^{[30]によれば、} 「水文を含む気象観測および探査のために使用される無線通信サービス」と定義されている。さらに、 ITU RR第1.109条 によれば、次のように定義されている。 ^[31]

ラジオゾンデは、気象援助サービスにおける自動無線送信機であり、通常は航空機、自由気球、凧、またはパラシュートに搭載され、気象データを送信します。各無線送信機は、恒久的または一時的に運用される無線通信サービスによって分類されます。

無線周波数の割り当ては、ITU無線通信規則（2012年版）第5条に従って規定されている。 ^[32]

スペクトル利用の調和を改善するために、この文書で規定されているサービス割り当ての大部分は、適切な国家行政の責任範囲内にある周波数割り当ておよび利用の国家表に組み込まれました。割り当ては、プライマリ、セカンダリ、排他的、および共有のいずれかになります。

• 主な割り当て: 大文字で表記されます (以下の例を参照)
• 二次配分：小文字で示される
• 排他的または共有的な利用：行政の責任の範囲内である

ただし、民間で使用されている帯域での軍事使用は、ITU 無線規則に準拠します。

周波数割り当ての例

• 6AK5
• 気象学
• 大気モデル
• 大気熱力学
• CTD（計器）
• 地球水平探査技術
• ロケットゾンデ
• トーテックス- 気象観測気球を製造する日本の企業
• ヴァイサラ
• ヴィリョ・ヴァイサラ
• 水活性化電池
• クリケットゾンデ

ウィキメディア・コモンズにはラジオゾンデに関連するメディアがあります。

• 世界の高層気象データ - 過去と現在
• 世界中のすべての高層気象観測所の WMO スプレッドシート
• ラジオゾンデ データのテフィグラムと Skew-T log P 図の解釈。
• 北米ラジオゾンデ博物館
• webmet.com のラジオゾンデ探査システム
• NOAA 国立気象局ラジオゾンデファクトシート
• セルゲイ・ニコラエヴィッチ・ヴェルノフ
• SCR-658の写真
• 初期の写真
• 写真 - 初期型ラジオゾンデ
• 写真 - ラジオゾンデ、トランジスタタイプ