L’anemometro sonico è uno strumento molto particolare che viene utilizzato in micrometeorologia, quella costola della meteorologia che si occupa dei moti e delle dinamiche più piccole ed infinitesime dell’atmosfera. In particolare serve per studiare la turbolenza dell’aria, misurando le tre componenti del vento e la velocità del suono.
Per misurare la turbolenza, ovvero i moti molto piccoli all’interno dello strato limite, è necessario compiere molte più misure rispetto ai tradizionali anemometri, come quelli a coppette, e in più bisogna misurare i moti tridimensionali dell’aria (sul piano orizzontale e verso l’alto).
Le molte misure richieste per questo genere di indagini le parti in movimento (come le coppette e la banderuola) allungano i tempi di risposta, infatti devono fisicamente mettersi in moto, e non riescono a cambiare repentinamente il loro comportamento al variare della direzione della massa d’aria. La scelta allora è ricaduta sul misurare i vortici generati dalla turbolenza con dei pacchetti sonori. Il suono infatti è un’onda di pressione, che si propaga utilizzando l’aria come mezzo. In pratica è un susseguirsi di zone più dense a zone più rarefatte. Da qui nasce il principio di funzionamento dell’anemometro sonico, un susseguirsi di pacchetti sonori nelle tre direzioni dello spazio.
Come funziona l'anemometro sonico
In assenza di vento le onde sonore si propagano in modo rettilineo e per fare un certo percorso ci metteranno un tempo proporzionale alla loro velocità. Se però il vento non è nullo devierà il pacchetto sonoro ed esso per raggiungere la sua destinazione ci metterà un tempo diverso da quello atteso.
Solitamente gli anemometri sonici tridimensionali sono costituiti da tre coppie di trasduttori che a turno inviano e ascoltano i pacchetti sonori. Essi sono messi in modo da poter risolvere lo spazio tridimensionale e da non perturbare troppo il flusso d’aria. Nell’immagine di inizio articolo è raffigurato l’anemometro installato all’Alpe Veglia (Gill, R2-Research).
Fisicamente il principio di funzionamento tra una coppia di trasduttori è esemplificato nella figura qui sopra.
A e B sono i due trasduttori, al momento 1 il pacchetto sonoro andrà da A a B (t1 rosso), al momento 2 un altro pacchetto sonoro andrà da B ad A (t2 verde).
Qui V è la velocità del vento, che può essere scomposta in una perpendicolare al cammino dei pacchetti (tra A e B), Vn, e una lungo il percorso dei pacchetti, Vd. Essendo il suono un’onda di pressione nell’aria sarà fisicamente spostato, o deviato, dal vento V. Nel primo tragitto il pacchetto risulterà favorito, procede col “vento in poppa”, e quindi ci metterà meno tempo rispetto a quanto calcolato in assenza di vento per percorrere la distanza d nota; al contrario nel fare il percorso inverso viaggerà controvento e ci metterà più tempo (t2).
Le equazioni che risolvono questo problema sono riportate di seguito.
La distanza d tra i due trasduttori (A e B) verrà coperta moltiplicando il tempo dell’andata o del ritorno per la somma delle componenti della velocità del suono c e della velocità del vento V lungo la congiungente dei due trasduttori (d a pedice).
La velocità del suono è la stessa, quindi mettendo a sistema queste due equazioni si può ottenere la componente della velocità del vento lungo la congiungente A e B.
L’anemometro ha tre coppie di trasduttori, mesi in modo non ortogonale, conoscendo la loro disposizione, e le tre velocità misurate è possibile ottenere, con delle matrici di rotazione, le tre componenti del vento in un sistema di assi cartesiani (x, y e z).
Ugualmente si può risolvere e ottenere la velocità del suono. Essa però sarà uguale per le tre coppie di trasduttori, se il sistema non ha difetti di funzionamento.
Molto frequentemente è più facile trovare espressa la temperatura sonica, invece della velocità del suono, essa in realtà non è misurata dallo strumento, infatti esso misura solo delle velocità (o dei tempi di volo). La temperatura sonica può essere calcolata in fase di analisi dati, oppure più spesso è direttamente calcolata dall’anemometro stesso (alcuni modelli prodotti da Metek o Campbel restituiscono direttamente la Ts).
Come si è visto l’anemometro sonico ha un principio di funzionamento molto semplice, che però permette, non avendo parti in movimento, di eseguire fino a 50 misure al secondo, e quindi di risolvere fino alle scale più piccole della turbolenza.
Quali grandezze si misurano con l'anemometro sonico?
Con l’anemometro sonico è possibile calcolare il flusso di calore sensibile, utilizzando le fluttuazioni di temperatura sonica e della velocità verticale, mentre se si dispone di un igrometro veloce, che misura le fluttuazioni dell’umidità specifica, si può ottenere in modo analogo il flusso di calore latente legato ai passaggi di stato dell’acqua nello strato superficiale e all’evapotraspirazione delle piante.
Combinando le fluttuazioni delle altre componenti della velocità del vento è possibile ottenere flussi di quantità di moto legati ad esempio al trasporto di energia o di quantità di moto della turbolenza.
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