Balónky – měření profilu větru

K vánocům jsem dostal nejhezčí a nejšílenější dárek – tlakovou bombu se 400 litry hélia. Hned jsem věděl, že některé balónky budu pouštět k nebi a dívat se za nimi. A na Expedici v srpnu 2008 jsme to provedli na solidní odborné úrovni. V podstatě se jedná o takzvanou „pilotáž“, kdy se sledováním dráhy malého balónku zjišťuje profil větru. Údajně se to dřív dělávalo před startem závodních balónů.

Dne 22.srpna jsme z hřiště v Bažantnici, cca 30 km severně od Plzně, vypustili postupně dva balónky. Jejich let jsme pak sledovali dalekohledem „co to půjde“.

První balónek, barvy oranžové, byl vypuštěn ve 13:15. Sledován byl jedním dalekohledem po dobu téměř 23 minut.
Druhý, červený, balónek se vzkazem na papíře A4 byl vypuštěn v 15:00. Sledován byl dvojicí dalekohledů vzdálených vzájemně 75 metrů. Na jednom stanovišti ho udrželi v hledáčku 18 minut, na druhém pouze 11,5 minuty.

Před startem jsme se pokusili v místnosti odhadnout stoupavou rychlost balónků. Vyšla nám mezi 1,0 a 1,6 m/s.

Každou ze stanic pozemního segmentu našeho experimentu obsluhovala čtveřice osob: Jeden hleděl skrz dalekohled a snažil se udržet vzdalující se balónek uprostřed zorného pole. V okamžiku, kdy se zmítající objekt ocitl v průsečíku záměrného kříže, oznámil to pozorovatel prostým signálem „Teď!“ a na chvíli zafixoval dalekohled. Na zmíněný signál zapisovatel odečetl čas na stopkách, zapsal ho a pak mu zbývající dva nadiktovali azimut a elevaci odečtené na stupnicích. Aby se eliminovaly možné chyby, zapisoval se azimut v hodinách a pětiminutových dílcích, tak jak byla stupnice na stativu. To vše se muselo udělat rychle, aby pozorovatel objekt neztratil ze zorného pole.

Až o mnoho měsíců později došlo na zpracování dat. Z měření pomocí jednoho dalekohledu nelze bez dalších předpokladů zjistit pozici balónku v prostoru. Tento nedostatek lze odstranit tím, že předpokládáme konstantní stoupavou rychlost. Bohužel celá vypočítaná trasa se pro různé hodnoty rychlosti stoupání velmi natahuje nebo smrskává vůči bodu, ze kterého byl balónek vypuštěn a pozorován. Nakonec jsem se přiklonil k rychlosti 1,5 m/s, což je zhruba 90 metrů za minutu.
Z tohoto čísla vyplývá, že první balónek jsme byli schopni sledovat do výšky 2,1 km, druhý do maximálně 1,6 km. Pak stačí použít goniometrické funkce a Pythagorovu větu k získání tvaru celé předpokládané dráhy v prostoru. Druhý let vyhodnocen, prozatím, jako dvě nezávislá měření

Trasa balónků nad krajinou vypočítaná
pro rychlost stoupání 1,5 m/s

Oba balónky se vydaly přibližně k severu a z dosahu dalekohledů se ztratily zhruba 2 km vysoko a 5-7 km daleko mezi obcemi Štichovice a Křečov.

Zpracovat dvoustaniční měření bylo trochu komplikovanější, protože odečítání poloh na obou stanovištích bylo asynchronní v čase. Nakonec jsem vybral tři páry měření, jejichž časový rozdíl byl menší než 5 sekund a tato prohlásil v rámci chyby měření za současná. Nalezením průsečíku směrů v horizontální rovině a následným porovnáním výšek z obou směrů byla ověřena konzistence dat a současně odhadnuta příslušná výška. Výsledky ukazuje následující tabulka a obrázek.

Časy a výšky tří bodů, kdy se podařilo
paralelní měření z obou stanovišť.

Původní záměr byl, získat vertikální profil větru v přízemní vrstvě atmosféry. Ze směřování balónků je vidět, že byly těsně nad zemí unášeny k severozápadu. V několika-málo-stech metrech nad terénem je jižní vítr hnal k severu a nakonec ve výškách nad jeden kilometr měl vítr navíc západní složku a výsledný azimut je zhruba 210-230 stupňů.
Rychlost se z naměřených čísel dá spíš odhadnout než přesně vypočítat. Dole foukalo zhruba 1-2 m/s, např. mezi druhým a třetím triangulovaným bodem je to 155 metrů za 140 sekund. Ve větších výškách rychlost roste zhruba na 5 m/s. Takové, i vyšší, rychlosti jsou v atmosféře běžné. Z toho plyne, že balónek s danou stoupavostí bude vždycky mizet spíš do dálky než do výšky.

Průběhy rychlosti a směru větru jak jsem je vybádal z drah balónků a jak je viděli tytéž veličiny v oficiálním ústavu:

Závěr: Legrace to byla povedená. Pro lepší zpracování by příště bylo lepší mít stanoviště na delší základně a měření provádět pokud možno v definovaných časech (např. po čtvrtminutě). Prakticky jsme ověřili, že větším dalekohledem se dá balónek sledovat do vzdálenosti asi 10 km. Získaný vertikální profil větru je sice svou přesností diskutabilní, ale v zásadě souhlasí s měřeními ČHMÚ. Pokud by v celém profilu atmosféry nefoukal příliš silný vítr, bylo by možné na kolmo dosáhnout až ke spodní hranici stratosféry. Takový let by trval zhruba dvě hodiny a není jisté, zda by balónek vydržel takový pokles tlaku. Při běžných rychlostech větru v atmosféře se pomalu stoupající balónek vždy ztratí relativně nízko nad obzorem.
Na kontakt uvedený na papíře při druhém startu se nikdo neozval