Este manual ha sido diseñado como marco del proyecto South American Low Level Jet EXperiment (SALLJEX) y tiene como objetivo principal servir de apoyo y de guía a las personas encargadas de hacer mediciones en las estaciones de lanzamiento de globo piloto.

El contenido de este manual es básico y se centra principalmente en el procedimiento seguido para hacer un sondeo de globo piloto con un teodolito meteorológico. La idea de estos sondeos es medir el perfil vertical del viento sobre cada estación a una fecha hora determinada para poder realizar análisis tridimensionales del campo de viento.

Cómo medimos el viento? No lo medimos directamente. Lo calculamos en base al cambio en la posición del globo piloto en el tiempo. Lo que medimos es la posición del globo a diferentes tiempos utilizando un teodolito meteorológico. Se espera que este manual sirva de guía para seguir correctamente el procedimiento necesario para operar una estación de globo piloto y obtener datos de viento de buena calidad.

Anticipándonos al contenido del manual, presentamos un esquema de los pasos a seguir para efectuar un sondeo con globo piloto:

LANZAMIENTO Y TOMA DE DATOS

Insumos.

Globo inflado.
Teodolito alistado.
Cronómetro.
Hoja de apuntes y lápiz o lapicero.

Procedimiento

Colocar el globo a sotavento del teodolito pero cerca de él.
Lanzar el globo y hacer correr el cronómetro.
Medir el ángulo acimutal y el vertical cada 30 segundos durante los primeros 8 minutos y posteriormente cada minuto.
Iniciar las lecturas con la mira, posteriormente utilizar la baja magnificación y finalmente la alta magnificación.
Tomar datos hasta perder el globo.

1. EL TEODOLITO METEOROLOGICO

1.1 Descripción breve.

Un teodolito es un instrumento destinado a ubicar un objeto a cierta distancia mediante la medida de ángulos con respecto al horizonte y con respecto a los puntos cardinales. El teodolito meteorológico está diseñado de tal manera que facilita la ubicación de un globo piloto o de radiosonda durante el ascenso. Con la ubicación del globo y la tasa de ascenso puede calcularse la velocidad y dirección del viento.

El ángulo de elevación es el ángulo con respecto al horizonte. Cero grados indica la posición del horizonte y 90° indica la posición del cenit o punto ubicado verticalmente sobre el observador. El ángulo azimutal es el ángulo con respecto al norte geográfico. Este ángulo es igual a cero hacia el norte, 90° hacia el este, 180° hacia el sur y 270° hacia el oeste. Observar la figura 1.

Figura 1. Ubicación de un globo midiendo su ángulo con respecto al horizonte (ángulo de elevación)

y su ángulo con respecto al norte (ángulo azimutal).

El teodolito requiere ser montado en un trípode que es un accesorio aparte. Hacer las mediciones consta en leer el ángulo azimutal y el de elevación con cierta frecuencia desde el lanzamiento del globo hasta que se le pierda de vista. Generalmente esta frecuencia es de 30 segundos durante los primeros 8 minutos luego del lanzamiento, y de 1 minuto posteriormente.

1.2 Partes del teodolito.

1.2.1 Esquema de partes del teodolito.

En la figura 2 a continuación puede encontrarse un gráfico del teodolito a utilizarse en el experimento del SALLJEX y sus partes:

Figura 2. Teodolito meteorológico y sus partes.

1.2.2 Breve descripción de las partes del teodolito observadas en la figura 2.

El teodolito debe ser montado sobre un trípode para su instalación. El trípode no se considera parte del teodolito, es un accesorio separado. Puede conseguirse un trípode arbitrario pero debe tenerse en cuenta que la rosca de la parte inferior del teodolito sea compatible con la rosca del trípode. Existen adaptadores en el caso de que no sean compatibles. La rosca se ubica en la parte inferior de la base del teodolito y no se muestra en la figura 2.

Sobre la base del teodolito pueden ubicarse unos tornillos. Estos son los tornillos que servirán para la nivelación del teodolito. Encima de estos tornillos y debajo del plato (hacia la derecha en la figura 2) puede observarse una llave tipo hélice. Esta sirve para ajustar o aflojar el disco principal o plato del teodolito de modo que se pueda rotar para orientar el teodolito con respecto al norte. El tornillo de ajuste fino para este procedimiento se encuentra al mismo nivel que la llave tipo hélice: debajo del teodolito.

Yendo hacia arriba se observa el plato del teodolito. Dentro del plato se encuentra el círculo horizontal que permite girar el teodolito alrededor de su eje (de manera horizontal) y así poder leer el ángulo acimutal. Sobre el plato (a la mano derecha en la figura 2) se encuentra el vernier para medir el ángulo acimutal. Junto al vernier se encuentra el tornillo del acimut, tornillo que permite girar finamente el círculo horizontal que se encuentra dentro del plato del teodolito.

Sobre el plato pueden distinguirse las los niveles que constan en dos tubos con burbujas. Para que el teodolito esté nivelado las burbujas tienen que estar en el centro del tubo. También existen dos amortiguadores (de color blanco) para evitar que tubo del lente de alta magnificación se golpee con el plato.

Por encima del plato existen dos soportes que sostienen la parte superior del teodolito. El soporte ubicado hacia la derecha en la figura 2 sostiene el círculo vertical. El giro de este círculo permite girar el teodolito verticalmente y medir el ángulo de elevación. El vernier para la lectura del ángulo de elevación no se aprecia en la figura 2, pero debe encontrarse detrás del tubo del objetivo. El tornillo de elevación no se encuentra en este caso junto al vernier vertical y puede observarse en la figura.

El tubo del objetivo se encuentra en el eje de rotación del círculo vertical (prominencia hacia la derecha en la figura 2). En este tubo se encuentran las partes del teodolito que permitirán visualizar el globo. El objetivo se encuentra al extremo del tubo. A través de él debe mirarse para seguir el globo.

El teodolito tiene dos opciones: seguir al globo con la opción de baja magnificación (un ligero acercamiento) y con la opción de alta magnificación (gran acercamiento). El lente de baja magnificación se localiza sobre el tubo del objetivo y puede observarse en la figura 2. El lente de alta magnificación es el tubo grande que se ubica a la izquierda del círculo vertical.

Para hacer la transición entre alta y baja magnificación puede utilizarse la perilla de alta-baja magnificación que se ubica en la parte superior del tubo del objetivo.

Para el enfoque en alta magnificación puede manipularse un tornillo en el tubo del objetivo (no visible en la figura 2). Para el enfoque en baja magnificación puede girarse el objetivo.

Finalmente otra parte importante del teodolito es la mira, que se ubica sobre el lente de alta magnificación. Se utiliza durante los primeros minutos de lanzamiento hasta que el globo ha sido ubicado precisamente mirando por el objetivo.

1.2.3 Iluminación para lanzamientos nocturnos.

El teodolito también tiene la opción de iluminar los vernieres durante la noche. En esta versión del manual no tocamos este punto con detalle ya que no se han hecho pruebas recientes al respecto. Como en el SALLJEX van a realizarse algunos lanzamientos en horas de la noche va a ser necesario tener cierta luminosidad que no sea tan fuerte como para no cegar al observador que debe estar atento a seguir el globo, pero al mismo tiempo que no sea tan débil como para evitar que éste pueda leer los ángulos. Algunas opciones: Puede utilizarse una linterna de iluminación débil o los conocidos “glowsticks” que son unas varillas que brillan en la oscuridad al quebrar el producto químico que llevan en su interior.

1.2.4 Glosario de partes y sus funciones.

Círculo vertical

Posición: Es el objeto en forma circular que se encuentra en un plano perpendicular al plato principal del teodolito. En su interior se encuentra el disco vertical o plato vertical de ángulos, sin embargo el movimiento de ambos es independiente ya que el plato vertical de ángulos está fijo. Propósito: Sirve para girar todo el sistema de lentes del teodolito de manera vertical. Utilización: El círculo vertical no es una parte del teodolito que se manipule directamente, pero puede rotarse de manera vertical ya sea manualmente (cuando el tornillo de elevación se encuentra suelto) o girando el tornillo de elevación (cuando se encuentra ajustado).

Figura 3. Círculo vertical.

Cruces

Posición: Se encuentran dentro del tubo del objetivo, en la parte donde sobresalen cuatro redondelas metálicas. Propósito: Sirven para orientar al observador con respecto a la posición de los objetos cuando se mira por el objetivo. Utilización: Las cruces no se manipulan al operar el teodolito. Son muy delicadas y están hechas de materiales como telas de araña o hilo muy delgado. En el caso de que quieran cambiarse las cruces debe desarmarse el objetivo.

Figura 4. Cruces.

Lente de alta magnificación.

Posición: Es el objeto en forma de tubo que se encuentra sobre el teodolito y puede girarse. Propósito: Permite hacer un acercamiento para observar mejor el globo lanzado con mayor detalle de lo que se ve con la baja magnificación. Utilización: Se debe utilizar luego de 5 minutos de observación del globo como mínimo. Para utilizar este lente se manipula la perilla de alta-baja magnificación.

Figura 5. Lente de alta magnificación.

Lente de baja magnificación.

Posición: Es un lente ubicado al lado izquierdo del tubo del objetivo. Propósito: Permite observar el globo lanzado con un mayor acercamiento de lo que se puede observar con la mira. Utilización: Este lente se utiliza en los primeros minutos de lanzamiento, luego de haber ubicado el globo con la mira. Para utilizarlo es importante chequear que la perilla de alta-baja magnificación se encuentre en la posición de baja magnificación.

Figura 6. Lente de baja magnificación.

Llave tipo hélice.

Posición: Debajo de la plataforma principal del teodolito. Propósito: Sirve para fijar o permitir el movimiento completo del plato de ángulos, de modo de poder dirigir el ángulo acimutal del punto de referencia hacia este. Utilización: Esta perilla suele encontrarse ajustada, lo que inhabilita el movimiento del plato de ángulos. Sin embargo durante el alineamiento del teodolito es necesario aflojarla para poder girar libremente el plato hasta encontrar que el ángulo acimut conocido del punto de referencia coincida con la posición de este. Cuando esto ocurra esta llave debe ajustarse hasta que el disco de ángulos quede inamovible.

Figura 7. Llave tipo hélice en círculo

Mira.

Posición: Sobre el tubo del lente de alta magnificación. Propósito: Sirve para localizar el globo apenas a simple vista. Utilización: La mira se utiliza para localizar el globo apenas realizado el lanzamiento. El globo se mueve mucho durante los primeros segundos y es imposible seguirlo con alguno de los lentes, por lo que se le sigue con la mira. Cuando existe un movimiento más uniforme se deja de utilizar la mira para utilizar el lente de baja magnificación.

Niveles o burbujas.

Posición: Hay dos burbujas que se encuentran en las cápsulas de vidrio sobre la plataforma del teodolito. Propósito: Ayudar a nivelar el teodolito. Utilización: Ajustando los tornillos del teodolito debe conseguirse que cada burbuja se ubique en el medio del tubo. El teodolito estará nivelado cuando se pueda girar 360° y ambas burbujas permanezcan en el centro de su tubo respectivo.

Figura 8. Niveles o burbujas.

Objetivo

Posición: Al extremo del tubo que se encuentra en el eje del círculo vertical. Propósito: Observar el objetivo (globo) con alta o baja magnificación. Utilización: Cuando se ha ubicado el globo con la mira puede utilizarse el objetivo para seguir el globo con magnificación, lo que se hace mirando a través del lente. El enfoque adecuado se logra girando el objetivo.

Figura 9. Objetivo y perilla de enfoque de baja magnificación.

Perilla de alta-baja magnificación.

Posición: Se ubica en la parte superior del tubo del objetivo. Propósito: Permite pasar desde el estado de baja magnificación al de alta magnificación y viceversa, permitiendo observar el globo con diferentes acercamientos. Utilización: Luego de haber localizado el globo con el lente de baja magnificación (generalmente alrededor de 5 minutos después del lanzamiento), puede girarse la perilla de alta magnificación para poder observar el globo más de cerca. La alta magnificación permite ver de cerca los objetos con la desventaja es que su campo visual es más reducido que el de la baja magnificación.

Figura 10. Perilla para alternar entre los modos de alta y baja magnificación.

Plataforma.

Posición: Superficie que sostiene a los niveles y la estructura vertical del teodolito. Propósito: Sirve de sostén a toda la parte superior del instrumento que debe moverse durante la medición de ángulos acimutales. Utilización: Se gira manualmente cuando está suelto el tornillo del acimut, y se cuando se ajusta éste puede girarse utilizando este tornillo.

Figura 11. Plataforma

Plato de ángulos.

Posición: Llamaremos plato de ángulos o simplemente “plato” al disco que se encuentra dentro de la plataforma central del teodolito, en el que están marcados todos lo ángulos horizontales. Propósito: Lleva impresos los ángulos que son leídos con el vernier. Utilización: El plato de ángulos se mantiene fijo durante la operación del teodolito. El único momento en el que es necesario moverlo es a la hora del alineamiento. Este disco se mueve de dos maneras: La primera es aflojando la llave tipo hélice, lo que permite un movimiento veloz. La segunda manera manteniendo ajustada la llave tipo hélice y girando el tornillo de ajuste del plato, lo que permite un movimiento fino, ideal para ajustes precisos.

Figura 11. Plato de ángulos.

Plato vertical de ángulos.

Posición: Es el disco en el que están impresos los ángulos de elevación. Se encuentra ubicado dentro del círculo vertical pero es independiente de éste. Propósito: Lleva impresos los ángulos que son leídos con el vernier. Utilización: El plato vertical de ángulos es inamovible.

Tornillo de ajuste del plato.

Posición: Se encuentra debajo de la plataforma del teodolito. Propósito: Sirve para mover el plato de ángulos de manera fina, con el objetivo de alinear el teodolito con precisión. Utilización: Cuando se alinea el teodolito. Luego de haber localizado el punto de referencia y de haber ajustado la llave tipo hélice, se utiliza este tornillo para un ajuste fino del ángulo acimutal conocido a la posición del punto de referencia.

Figura 12. Tornillo de ajuste del plato.

Tornillo de nivelación.

Posición: Son cuatro tornillos que se encuentran debajo de la plataforma del teodolito. Propósito: Sirven para nivelar el teodolito. Utilización: Luego de colocar el teodolito sobre el trípode y enroscarlo, se procede a nivelarlo para lo cual se utilizan estos tornillos. El objetivo de la nivelación es lograr que las burbujas de los niveles estén horizontales ante cualquier posición del teodolito.

Figura 13. Tornillos de nivelación.

Tornillo del acimut.

Posición: Se encuentra debajo del vernier horizontal, a la derecha. Propósito: Sirve para girar la plataforma del teodolito. Utilización: Si se mantiene desajustado, permite un movimiento libre y rápido del la plataforma que sostiene a toda la parte superior del teodolito. Si se ajusta el movimiento de la plataforma estará limitado a el giro del tornillo. Esto es muy útil para movimientos finos y precisos. Para ajustarlo se presiona hacia adentro (hacia el teodolito). El movimiento de la plataforma debe hacerse cuando el plato de ángulos esté fijo, de este modo podrá leerse el ángulo horizontal a través del vernier.

Figura 14. Tornillo del acimut.

Tornillo de elevación.

Posición: Se encuentra debajo del círculo vertical, a uno de los lados del teodolito. Propósito: Sirve para girar el círculo vertical, y así girar toda la estructura de lentes del teodolito en forma vertical. Utilización: Si se mantiene desajustado, permite un movimiento rápido del disco o plato vertical de ángulos ubicado en posición vertical que contiene la escala del ángulo de elevación. Si se ajusta permite realizar un ajuste fino del ángulo de elevación, ideal para movimientos mientras se sigue el globo. Se ajusta presionando el tornillo hacia arriba (hacia el disco). También permite leer el segundo decimal del ángulo de elevación. El primer decimal se lee a través del vernier vertical.

Figura 15. Tornillo de elevación.

Tornillo de enfoque para alta magnificación.

Posición: Se encuentra en la parte posterior del tubo del objetivo.. Propósito: Sirve para controlar el enfoque cuando se está observando a través del objetivo con la opción de alta magnificación. Utilización: Para controlar la calidad del enfoque solo debe dirarse este tornillo. Para el enfoque en baja magnificación puede girarse el objetivo.

Figura 16. Tornillo de enfoque para alta magnificación.

Vernier

Posición: Hay 2 verniers. El vernier del ángulo acimutal se ubica en el disco principal del teodolito y el del ángulo vertical se ubica junto al círculo vertical. Propósito: Hacer la lectura de los ángulos. Utilización: En el vernier debe leerse el ángulo incluyendo un decimal. El segundo decimal debe leerse en el tornillo respectivo. En la figura de la derecha aparece el vernier horizontal (para el ángulo acimutal). En el la lectura sería 236.0°. El segundo decimal debería leerse en el tornillo del acimut.

Figura 17. Vernier horizontal.

2. UTILIZACION DEL TEODOLITO

2.1. Instalación del teodolito.

Es necesario instalar el teodolito antes de realizar cada medición. Esto se hace siguiendo los siguientes pasos:

2.1.1 Instalación del trípode.

El trípode debe colocarse para montar encima el teodolito. Las tres piernas deben colocarse a una distancia suficiente como para que tenga estabilidad. Pero esta distancia tampoco debe ser lo suficientemente grande como para que afecte la movilidad de los observadores. Observar en la Figura 18.

Figura 18. Forma adecuada de colocar el trípode.

Asimismo se recomienda colocar el trípode lo más nivelado posible, esto quiere decir que la plataforma superior en donde va a colocarse el teodolito posteriormente, debe estar lo más horizontal posible. Conviene colocar una piedra pequeña u otro objeto debajo del trípode de modo de marcar el lugar exacto en donde se armó ya que para siguientes mediciones debe armarse en el mismo lugar.

2.1.2 Montado del teodolito.

El teodolito se enrosca en la parte superior del trípode hasta que quede firme. En algunas ocasiones va a ser necesario contar con un adaptador ya que no todos los trípodes tienen roscas compatibles con las de los teodolitos.

2.1.3 Nivelación del teodolito.

Inicialmente debe verificarse que la plataforma teodolito-trípode esté lo más horizontal posible (como se mencionó anteriormente). Luego se procede a nivelar el teodolito manipulando los tornillos que se encuentran en la parte inferior. El objetivo es que las burbujas de los dos niveles ubicados en la plataforma del teodolito se localicen en el centro de los tubos. En la figura 19 se ilustra este procedimiento.

Figura 19. Nivelación del teodolito.

Para nivelar debe colocarse uno de los niveles paralelo al plano de dos tornillos opuestos (observar nivel A en la figura 4). Luego manipular dichos tornillos hasta que la burbuja quede en el centro del nivel y los tornillos ajustados. Cuando esto suceda debe repetirse lo mismo con el nivel A pero con los otros dos tornillos. Al final ambas burbujas deben quedar en la mitad de sus respectivos niveles sea cual sea la posición del disco del teodolito.

2.1.4 Alineamiento del teodolito: Fijación de un ángulo acimutal.

Cuando el teodolito esté completamente nivelado debe alinearse, es decir, orientarse con respecto a los puntos cardinales. Para ello debe conocerse el ángulo acimut de algún punto del horizonte, ya sea un punto de referencia conocido o un punto cardinal (por ejemplo, el norte geográfico tiene un ángulo acimut de 0° mientras el sur de 180°). Más información de cómo definir un punto de referencia en el horizonte puede encontrarse en el punto 2.2 en este mismo manual.

Cuando ya se conoce el ángulo acimutal de un punto de referencia este debe fijarse en el teodolito. Esto se hace siguiendo los siguientes pasos.

Aflojar la llave tipo hélice (ubicada en la parte inferior del teodolito). Esto permite aflojar el plato. De este modo puede rotarse hasta que el ángulo acimut coincida aparezca en el vernier.

Aflojar el tornillo de ajuste fino para el ángulo acimut. Esto permitirá liberar también la plataforma y así girar con mayor libertad los lentes.

Hacer que el vernier apunte exactamente en el ángulo acimut del punto de referencia.

Ajustar el tornillo de ajuste fino para el ángulo acimut. Esto fija el plato con respecto a la plataforma. Cuando el plato está suelto (ya que la llave tipo hélice esté suelta), al girar la plataforma el ángulo acimutal que aparece en el vernier no se modificará. De este modo queda fijado el ángulo acimutal del punto de referencia.

Apuntar el teodolito hacia el punto de referencia. Debe identificarse con la mira el punto de referencia y apuntar hacia el.

Ajustar la llave tipo hélice. Esto permite fijar nuevamente el plato. A partir de este momento el plato queda fijo y la única forma de mover la plataforma será a través del tornillo del acimut.

Localizar nuevamente el punto de referencia utilizando el tornillo de ajuste fino para el ángulo acimut. El teodolito debe apuntar hacia él con la mayor precisión posible.

Fijar el ángulo acimutal con precisión. Esto se hace manipulando el tornillo de ajuste fino del plato hasta que el vernier apunte hacia el ángulo acimutal con la mayor precisión posible.

Culminado este procedimiento, el teodolito debe encontrarse correctamente alineado con los puntos cardinales y se encontrará listo para iniciar las mediciones.

2.1.5 Ajustes finales.

Para dejar al teodolito totalmente listo para el lanzamiento debe verificarse que la mira esté desplegada, que los tornillos del acimut y de elevación se encuentren aflojados y que el el teodolito se encuentre fijado en la opción de baja magnificación. Luego de estos ajustes finales, el teodolito debe encontrarse listo para el lanzamiento del globo.

2.2 Alineamiento inicial del teodolito y el punto de referencia.

2.2.1 Qué es alinear el teodolito?

Alinear el teodolito consiste en orientarlo con respecto a los puntos cardinales. El ángulo de 0° del disco horizontal del teodolito debe estar orientado hacia el norte, el de 90° hacia el este, el de 180° hacia el sur y el de 270° hacia el oeste. Observar la figura 20.

Figura 20. Esquema de relación entre los puntos cardinales y el ángulo acimutal.

La primera vez que se quiera instalar el teodolito en una estación va a ser necesario alinearlo, procedimiento que no es tan simple por que no existe un punto de referencia. Este procedimiento se describe en el punto 2.2.3. en este manual.

2.2.2 Punto de referencia.

Cuando se haya realizado el alineamiento inicial del teodolito debe buscarse un punto de referencia en el horizonte que tenga las siguientes características:

Que sea inamovible.
Que sea visible en días nublados o con neblina.
Que no se encuentre muy cerca del teodolito.

La información (ángulo acimutal) de este punto de referencia permitirá alinear rápidamente el teodolito en futuras mediciones evitando así tener que repetir el tedioso procedimiento del alineamiento inicial. Ejemplos de puntos de referencia: Antenas, postes, cerros, montañas, árboles, torres, etc.

2.2.3 Alineamiento inicial del teodolito.

El alineamiento inicial debe hacerse la primera vez que se utilice el teodolito en la estación meteorológica y consiste en definir exactamente en que parte del horizonte se encuentran los puntos cardinales, es decir, hacia donde está el norte exactamente. Este alineamiento puede hacerse de tres formas básicamente:

Utilizando GPS.
Utilizando información de la posición de los astros.
Utilizando un punto de referencia con ángulo acimutal desconocido*.

Hay otras maneras de realizar este alineamiento como utilizando una brújula, observando la dirección hacia la que apunta la caseta meteorológica, etc. Sin embargo estas opciones no son confiables ni muy exactas, por lo que se recomienda recurrir a las tres opciones listadas y que van a ser explicadas a continuación.

2.2.3.1 Alineamiento utilizando GPS.

Es la manera más común de alinear un teodolito en la actualidad. El GPS es un instrumento que permite obtener datos de la latitud, longitud y altitud del punto donde se ubica el observador. Estos datos tienen un rango de error de 20 metros, lo que tiene que considerarse cuando se quiere definir la localización exacta de los puntos cardinales.

El procedimiento para hallar el norte es el siguiente:

1. Encontrar la latitud y longitud del punto en el que se ha ubicado el teodolito.

2. Caminar en línea recta hacia el norte (siguiendo una línea de longitud constante) una distancia determinada. Esta distancia debe ser lo mayor posible para reducir el error del GPS (como se observa en la figura 21). Mientras más lejos se ubique la persona que cargue el GPS del punto de localización del teodolito menor será el error.

Figura 21. Cómo minimizar el error al definir el norte geográfico con un GPS:

caminando lo más lejos posible del teodolito hacia uno de los puntos cardinales.

3. Al haber encontrado un punto lo suficientemente lejos del teodolito debe verificarse que la longitud medida por el GPS sea la misma que la longitud medida en el punto de localización del teodolito.

4. Cuando se encuentra el norte geográfico, el observador localizado junto al teodolito debe capturar el norte observando por el objetivo y fijar el ángulo acimutal en 0°. Entonces el teodolito estará alineado. El procedimiento para fijar un ángulo acimutal ha sido descrito en el punto 2.1.4 de este manual. Es muy importante que al final del alineamiento la llave tipo hélice esté bien ajustada y el plato inmóvil.

El procedimiento descrito también puede ser realizado con los otros puntos cardinales: Caminar hacia el sur siguiendo una línea de longitud constante y fijar el ángulo de 180°; caminar hacia el este siguiendo una línea de latitud constante y fijar el ángulo de 90°; caminar hacia el oeste siguiendo una línea de latitud constante y fijar el ángulo de 270°.

2.2.3.2 Alineamiento utilizando la posición de los astros.

Es la manera más exacta de alinear un teodolito, pero requiere conocer la posición exacta de los astros con respecto a los puntos cardinales, es decir, sus ángulos acimutales.

La manera más fácil de hacer esto sin tener que recurrir a tablas con información astronómica es observando la posición del sol al medio día solar. El medio día solar es el momento del día exactamente entre el amanecer y el atardecer. Esto significa que es el momento del día en el que el sol se encuentra exactamente sobre el eje norte-sur del cielo. No necesariamente coincide con las 12:00 hora local pero ocurre muy cerca de esta hora.

En localidades ubicadas en latitudes medias como Argentina y el centro de Chile, al medio día solar la sombra estará inclinada siempre hacia el sur. Esto significa que a esta hora puede orientarse el teodolito hacia la dirección en la que apunta la sombra y fijar el ángulo acimutal en 180°.

Sin embargo en localidades ubicadas en el trópico (a latitudes menores que 23.5°S), este no será siempre el caso. En Bolivia y Perú por ejemplo, al medio día solar la sombra estará inclinada hacia el sur durante la mayor parte del año, sin embargo durante la primavera y el verano pueden ocurrir fechas en las que la posición del sol no proyecte sombra, o incluso épocas en las que la sombra se dirija hacia el norte. Por ello no siempre será fácil aplicar esta técnica. Esto puede observarse en la figura 22.

Figura 22. Como encontrar el norte geográfico utilizando la proyección de la sombra al medio día solar.

Por ello en las estaciones descritas en la región A de la figura, es probable que si se desea fijar el norte geográfico con la posición de los astros, sea necesario recurrir al uso de tablas o mapas celestes en donde se indique el ángulo acimutal del sol a cierta hora del día para poder fijar un ángulo siguiendo la sombra con el teodolito.

Existe una página web interactiva en la que se puede encontrar el ángulo acimutal del sol y otros astros en cualquier localidad del mundo, en cualquier día y a cualquier hora. La dirección es:

http://www.tecepe.com.br/cgi-win/cgiasvis.exe

El programa pide las coordenadas de la localidad (latitud y longitud). Observar que la latitud debe ser entrada con un signo negativo para el hemisferio sur. Sin embargo la longitud debe ser entrada sin signo para el hemisferio occidental. Ejemplo: Latitud = -12.00 y longitud = 77.00 para Lima, Perú. También debe especificarse la fecha y hora GMT del día. Por ejemplo, para Bolivia las 22:00 GMT equivalen a las 18:00 hora local (4 horas de diferencia).

La figura 23 muestra un ejemplo de la salida de este programa. En este caso se ha hallado la posición de los astros para la ciudad de Uyuni en Bolivia, para el domingo 24 de noviembre de 2002 a las 16:00 hora local. Puede encontrarse el ángulo acimutal del sol en la tabla (como se indica en la figura), pero si se coloca el cursor sobre el sol que aparece en el mapa estelar, se podrá obtener el ángulo acimutal con mayor precisión.

Figura 23. Ejemplo de como encontrar el ángulo acimutal del sol via internet.

Conociendo el ángulo acimutal del sol, puede apuntarse el teodolito hacia el sol y fijar el ángulo acimutal. Otra opción es apuntar al teodolito hacia la dirección en la que apunta la sombra, y fijar el ángulo como sigue:

Angulo opuesto al acimutal = Angulo acimutal - 180°

Recordar que al terminar el alineamiento del teodolito la llave tipo hélice debe estar bien ajustada de modo de que el plato esté inmóvil.

2.2.3.3 Alineamiento utilizando un punto de referencia con ángulo acimutal desconocido.

Este método no es recomendable ya que requiere muchos cálculos geométricos para encontrar el verdadero ángulo acimutal. Debe utilizarse solamente en casos extremos, cuando no haya manera de encontrar la localización exacta de los puntos cardinales.

Ya que no hay forma de ubicar el norte verdadero y tampoco se conoce el verdadero ángulo acimutal de los puntos ubicados en el horizonte, debe apuntarse el teodolito hacia un punto de referencia que vaya a ser visible durante todas las observaciones y asignarle un ángulo acimutal arbitrario.

Cuando se hagan las observaciones se alineará el teodolito utilizando este ángulo acimutal, y posteriormente será necesario corregir los resultados con el verdadero ángulo acimutal.

El verdadero ángulo acimutal puede encontrarse hallando la posición exacta del punto de referencia con respecto a la estación del teodolito. Pueden utilizarse varias técnicas como la una carta topográfica de alta resolución (en caso de puntos de referencia como montañas), posición exacta del punto por triangulación, etc. Para del ángulo acimutal verdadero deben tomarse en cuenta los efectos de la geometría de la tierra como la variabilidad de la distancia entre los meridianos con la latitud.

Es por ello que no se recomienda esta técnica, es la más tediosa de las tres recomendadas.

2.2.4 Determinación del ángulo acimutal del punto de referencia.

Luego de haber alineado el teodolito por primera vez, es posible encontrar el ángulo acimutal de un punto de referencia. Hacer esto es ahora una muy fácil ya que el teodolito se debe encontrar alineado. Ya que esta tarea fue difícil, no está de más medir los ángulos acimutales de más de un punto de referencia.

Por ejemplo, si nuestro punto de referencia es una antena localizada exactamente al oeste de la estación, su ángulo acimutal será de 270°. Si nuestro punto de referencia es un poste ubicado al suroeste, nuestro ángulo acimutal será de 225° (ver ejemplo en la figura 24).

Figura 24. Relación entre los puntos cardinales

y los ángulos acimutales.

2.3 Partes del teodolito que pueden manipularse luego de haberlo alineado.

Luego de haber instalado, nivelado y alineado el teodolito, este se encuentra totalmente listo para tomar datos de ángulos. No está demás verificar que las burbujas estén en el centro de los niveles y que el plato se encuentre fijo (llave tipo hélice ajustada). Si todo está en orden, las partes del teodolito manipulables son:

El tornillo del acimut: Cuando se desajusta permite mover el lente de alta magnificación de manera horizontal y velozmente utilizando las manos. Esto es necesario para situaciones en las que el ángulo acimutal de algún objeto cambia rápidamente, por ejemplo, durante los primeros momentos del lanzamiento. Cuando las variaciones del ángulo acimutal en el tiempo son muy pequeñas puede ajustarse este tornillo y rotar el teodolito girándolo. Ver figura 20.

El tornillo de elevación: Tiene el mismo funcionamiento que el tornillo del acimut sólo que para los ángulos verticales. Generalmente se desajustan ambos tornillos cuando se quiere tener una buena movilidad del teodolito. Para girarlo vertical y horizontalmente suele manipularse el instrumento desde el lente de alta magnificación. Ver fig. 25.

Figura 25. Procedimiento para ajustar o aflojar el tornillo

del acimut y el tornillo de elevación. Esto le sustrae u

otorga movilidad al teodolito respectivamente.

Perilla de alta-baja magnificación: Ella permite cambiar de alta a baja magnificación o viceversa. La baja magnificación suele utilizarse cuando el objeto el movimiento del globo es muy veloz aún y se requiere un campo visual relativamente amplio para no perderlo. Ver figura 26.

Figura 26. Ventajas y desventajas de la alta y baja magnificación al mirar a través del objetivo.

En general no puede manipularse todo lo que esté por encima del plato del teodolito. No debe tocarse nada de lo que esté por debajo del plato.

2.4 Cómo seguir el globo con el teodolito.

Hay tres formas de seguir al globo luego de tener el teodolito nivelado y bien orientado:

1. A través de la mira.

2. A través del lente de baja magnificación,

3. A través del lente de alta magnificación.

2.4.1 A través de la mira.

Estas lecturas se hacen durante los primeros segundos del lanzamiento por que la posición del globo cambia mucho. La mira no permite hacer un acercamiento al globo, sin embargo tiene un campo visual mucho más amplio. Estas lecturas se hacen mirando a través de la parte posterior del tubo del lente de alta magnificación, a través de la mira (ver figura 27). Mientras una persona mira, la otra puede ir tomando nota de las lecturas que aparecen en el vernier. Durante los instantes de lectura, deben leerse cuidadosamente los ángulos antes de girar el teodolito para evitar perder el globo. Por ello se necesita concentración, velocidad, precisión pero sobre todo calma por parte del observador. Algunas veces sucede que por desesperación el observador hace la lectura incorrectamente.

Figura 27. Modo de hacer la lectura a través de la mira.

2.4.2 A través del lente de baja magnificación.

Estas lecturas se hacen cuando la posición del globo cambia menos dentro del campo visual. Si se observa por la mira y el globo no cambia mucho de posición, pueden iniciarse este tipo de lecturas siguiendo los siguientes pasos:

Ajustar el tornillo de elevación y el tornillo del acimut. Esto permitirá tener un movimiento más controlado del teodolito ya que ahora estamos observando el globo con acercamiento (ver figura 25).

Empezar a hacer las observaciones a través del objetivo. Si no se encuentra el globo dentro del campo visual pueden hacerse dos cosas: Verificar que la perilla de baja-alta magnificación se encuentre posicionada en baja magnificación (ver figura 28). Si no es el caso, puede observar el globo por la mira y manipular el tornillo de elevación y el del acimut hasta ver el globo cerca al centro de su campo visual. En el caso de que no se pueda capturar el globo utilizando el lente de baja magnificación, se recomienda aflojar nuevamente el tornillo de elevación y el del acimut para poder mover con mayor velocidad el teodolito y encontrar el globo utilizando la mira.

Figura 28. Partes del teodolito que suelen manipularse al seguir el globo con baja magnificación.

2.4.3 A través del lente de alta magnificación.

Luego de algunos minutos del lanzamiento (alrededor de cinco minutos), empieza a ser difícil observar el globo a través del lente de baja magnificación, por ello es necesario utilizar el lente de alta magnificación. Este permitirá observar el globo aún más de cerca, aunque también reducirá el campo visual. Por ello es importante tener al globo bien centrado en el campo de baja magnificación.

Para cambiar de baja a alta magnificación solamente es necesario girar la perilla de alta-baja magnificación. En caso de no encontrar el globo se puede regresar a la baja magnificación e ir jugando suavemente con el tornillo del acimut y el de elevación hasta encontrar el globo.

Figura 29. Partes del teodolito que suelen manipularse al seguir el globo con alta magnificación.

El globo suele seguirse hasta que se pierda. Mientras más datos se obtenga mejor. Más información sobre el lanzamiento puede encontrarse en el punto 3.2.2. de este manual.

2.5 Cómo hacer las lecturas.

Leer el teodolito significa leer el ángulo acimutal y el ángulo vertical. Cuando se sigue un globo en ascenso, debe tenerse en cuenta antes de hacer una lectura que el globo esté bien localizado con el teodolito en el momento de la lectura y no mover el teodolito durante la ella. Mantener el teodolito quieto mucho tiempo durante la medida de ángulos puede ocasionar la pérdida del globo, por lo que se recomienda cierta rapidez en hacer las lecturas. Es importante no perder la calma y que tanto el observador como la persona encargada de apuntar los datos se preocupen de seguir el globo. En el caso de que el globo desaparezca del campo visual del observador, se puede recurrir a campos visuales más amplios como el de la mira para encontrar el globo.

Con respecto a la lectura de ángulos, estos se leen simultáneamente cuando lo indica el cronómetro. En el caso de un globo en ascenso, las lecturas deben hacerse con intervalos de 30 segundos durante los primeros ocho minutos y posteriormente con intervalos de 1 minuto. Esto se hace ya que durante los primeros minutos del lanzamiento la posición del globo cambia mucho y se requiere una mayor cantidad de datos para encontrar una buena representación de la realidad, mientras que cuando el globo se encuentra en altura los cambios su posición con respecto al teodolito varía muy poco. El ángulo acimutal puede leerse en el vernier colocado en posición horizontal. El ángulo vertical puede leerse en el vernier colocado en posición vertical.

El resultado al terminar la medición será una hoja de datos que contenga:

Tipo del globo (peso y color). Esto sirve para obtener la velocidad de ascenso estimada.
Nombre de la estación.
Fecha del lanzamiento.
Número de lanzamiento.
Hora del lanzamiento. Indicar si es hora UTC u hora local (se recomienda colocar la hora UTC).
Tabla que contenga el tiempo (en minutos), el ángulo de elevación y el ángulo azimut.

Para complementar la lectura se recomienda agregar:

Viento y nubosidad a la hora del lanzamiento. Mejor aún si se especifican estas condiciones al final del lanzamiento.
Razón de perder el globo.
Nombre de los observadores.

2.5.1 Cómo leer el vernier?

Tanto el vernier vertical como el horizontal tienen las mismas características. La lectura del ángulo incluyendo un decimal puede hacerse en el mismo vernier, leyendo el dato que coincide con la flecha. El segundo decimal puede leerse en el tornillo respectivo (tornillo del acimut para el ángulo acimutal, le corresponde al vernier horizontal ; tornillo de elevación para el ángulo vertical, le corresponde al vernier vertical). A continuación unos ejemplos de cómo leer los vernieres ilustrados en las figuras 30 y 31.

Ejemplo #1:

Figura 30. Ejemplo #1 de lectura de vernier.

Ejemplo #2:

Figura 31. Ejemplo #2 de lectura de vernier.

3. LANZAMIENTO DE GLOBO PILOTO

3.1 Materiales.

Para el lanzamiento de un globo piloto se requieren los materiales que aparecen en la figura 32.

Figura 32. Materiales utilizados en el lanzamiento de un globo piloto.

Descripción de los insumos para el lanzamiento de un globo piloto:

El cilindro de gas hidrógeno o helio es el recipiente que contiene el gas para inflar el globo.

La manguera permite conectar el globo al cilindro de gas. Esta manguera viene con un codillo que tiene 2 funciones: que sirva para insertar la boca del globo y que sirva como un peso calibrado para colocar la misma cantidad de gas en cada globo.

El regulador es un instrumento que permite medir la presión del gas dentro del cilindro y hacer la conexión entre éste y la manguera. Es una pieza importante ya que otorga seguridad al procedimiento pues permite identificar fugas de gas y contiene una válvula extra para tener un doble control del flujo del gas desde el cilindro hacia el globo.

El globo es de goma, por lo general de color blanco o rojo. Es importante conocer el peso del globo ya que ese dato permitirá asumir una velocidad de ascenso realista.

El trípode es un soporte de tres piernas que sirve para montar el teodolito.

El teodolito es el instrumento que permite medir la posición del globo lanzado (ya descrito).

Se requiere de material para tomar apuntes: una tablilla, un lapiz o lapicero y la hoja de datos.

El cronómetro o reloj sirve para tomar el tiempo de las mediciones.

3.2 Procedimiento.

El procedimiento para lanzar un globo consta en cuatro etapas básicas:

Preparación del teodolito. Significa montarlo en el trípode, nivelarlo y alinearlo. Este procedimiento ha sido descrito en el punto 2.1 de este manual.

Inflado del globo. Cuando se tiene listo el teodolito ya se puede proceder al lanzamiento para lo cual hay que inflar el globo. El procedimiento se detallará en el punto 3.2.1. de este manual.

Lanzamiento del globo. Está se detallará en el punto 3.2.2 de este manual.

Toma de datos. Consiste básicamente en el seguimiento de la posición del globo mediante la lectura de ángulos con el teodolito. Este procedimiento está descrito en el punto 2.5 de este manual.

Figura 33. Procedimiento seguido durante el lanzamiento de un globo piloto.

3.2.1 Inflado del globo.

El inflado del globo debe justo antes de cada lanzamiento. Conviene buscar un lugar protegido del viento y de fenómenos atmosféricos como la lluvia. Los insumos son los siguientes:

Globo de goma o liga.
Cinta o pavilo.
Cilindro con gas helio o hidrógeno.
Regulador de helio o hidrógeno respectivamente.
Manguera.

El procedimiento a seguir es el siguiente:

Conectar el regulador al cilindro de gas.

El regulador se conecta al cilindro de gas girando mediante la rosca de uno de sus extremos. Para ajustar bien la rosca se recomienda utilizar una llave inglesa o una llave de tuercas. El regulador de hidrógeno es compatible con los cilindros de hidrógeno y el de helio con los de helio. En algunos casos existe compatibilidad entre reguladores, sin embargo se recomienda no utilizar en balones de helio reguladores que han sido previamente utilizados en balones de hidrógeno.

Revisar que no existan fugas en la conexión.

Cuando se ha conectado bien el regulador, debe verificarse que la válvula para que el aire pase a la manguera esté cerrada (debe estar suelta). Luego se abre la válvula del cilindro hasta observar un aumento de presión en el regulador. Luego se cierra la válvula del cilindro. Si la presión desciende velozmente en el tiempo significa que hay una fuga de gas. Entonces se recomienda ajustar bien la conexión entre el cilindro y el regulador. Esto se puede hacer con una llave inglesa o una llave de tuercas.

Conectar la manguera al regulador.

Cuando se han eliminado las fugas entre el cilindro y el regulador se puede proceder a conectar la manguera al regulador.

Inflado del globo.

Se recomienda que participen dos personas en esta actividad: Una para que sostenga la conexión entre la manguera y el globo y otra persona para que controle la salida de gas del cilindro al regulador y del regulador a la manguera.

Primero se inserta la boca del globo en el extremo de la manguera donde se encuentra el codillo de plástico o PVC. Luego se ata una cinta firmemente para que el globo se agarre bien del codillo. Es mejor si se utiliza una liga en vez de una cinta. Para inflar el globo debe levantarse la manguera con una mano y el globo con la otra de siempre evitando de que el globo no toque el piso, no roce la manguera ni otros objetos, estos pueden dañar al globo.

Para iniciar el inflado debe abrirse primero el cilindro de gas hasta que la presión suba en los marcadores del regulador. Luego puede abrirse lentamente la válvula del regulador para dejar pasar suavemente el gas a través de la manguera. Debe cogerse el globo de tal manera que el flujo del aire desde la manguera fluya libremente hacia el centro del globo.

Al comienzo el globo colgará de la manguera pero conforme se vaya inflando comenzará a tomar forma y ascender. Cuando el globo se encuentre inflado y pueda sostenerse por sí solo, debe dejarse cuidadosamente la manguera en el piso, apoyada en el codillo. El globo estará correctamente inflado cuando el codillo empiece a flotar sobre el suelo (observar a figura 34). En este momento debe detenerse la salida de gas del cilindro cerrando la válvula del regulador, y posteriormente la válvula del cilindro.

Figura 34. Como iniciar el inflado del globo.

Figura 35. Como finalizar el inflado del globo.

Retiro del globo de la manguera.

Esto debe hacerse con mucho cuidado para no perder el globo. Se retira la boca del globo de la manguera y se amarra firmemente la cinta. Luego se curva la parte inferior de la boca del globo y se hace un nuevo nudo firme a la cinta para asegurar que el aire no se escape. El globo está listo para el lanzamiento.

3.2.2 Lanzamiento del globo y toma de datos.

El procedimiento para el lanzamiento del globo piloto y la lectura de datos es el siguiente:

1. Observar la dirección del viento.

Debe observarse hacia donde soplan los vientos para saber hacia donde va a dirigirse el globo cuando sea soltado. El lanzamiento se realizará a sotavento del teodolito, pero lo más cerca posible a este.

No debe lanzarse el globo desde un punto lejano al teodolito ya que se asume que el globo está partiendo desde la estación. Esto es muy importante ya que para calcular la primera observación de viento se requiere calcular la distancia entre el teodolito y la posición del globo en la primera medición de ángulos.

Figura 36. Lanzamiento del globo.

2. Verificar que el teodolito esté listo para el lanzamiento.

Hay que verificar que el tornillo del acimut y el de elevación estén desajustados para permitir un movimiento rápido del teodolito, considerando que el globo cambiará mucho de posición durante los primeros segundos (para más información ver el manual de teodolitos).

El teodolito debe estar apuntando hacia sotavento, es decir, hacia el globo.

La mira debe estar desplegada ya que las primeras observaciones se realizan a través de ella.

Figura 37. Alistando el teodolito.

3. Alistar el cronómetro para tomar el tiempo del lanzamiento.

4. Lanzar el globo.

El lanzamiento debe coincidir con el inicio del tiempo en el cronómetro. Durante los primeros minutos el observador puede seguir el globo con la mira hasta que éste tome una posición más estable dentro del campo de visión. Cuando esto ocurra puede empezar a utilizarse el lente de baja magnificación, es decir, seguir el globo mirando a través del objetivo para posteriormente utilizar la alta magnificación. Por esto se harán algunas mediciones observando el globo por la mira ya que la frecuencia inicial de mediciones es de 30 segundos durante los primeros 8 minutos. Luego la frecuencia es de un minuto. Más detalles sobre como seguir el globo y hacer las mediciones en el punto 2.4 de este manual.

Figura 38. Primeras mediciones.

5. Primera medición.

La primera medición es muy importante. Ella permitirá calcular el viento en la capa más baja de la atmósfera. En esta medición no es necesario obtener ángulos con precisión de dos decimales, un error de hasta 1 o 2 ° puede considerarse aceptable. Lo importante es que la el observador se concentre en el instante de la medición (30 segundos después del lanzamiento), que pueda capturar la posición del globo con la mira en ese instante y que apunte los ángulos sin necesidad de especificar decimales.

6. Mediciones hasta perder el globo

Hasta los 8 minutos se harán mediciones cada 30 segundos ya que la posición del viento cambia mucho además de que es importante tener la mayor cantidad de datos posibles sobre el perfil de viento próximo a la superficie.

Al comenzar este periodo de 8 minutos se sigue el globo con la mira ya que ésta tiene un campo visual muy amplio y facilitará el seguimiento del globo. Cuando el ritmo de cambio en la posición del globo empiece a decrecer y se vuelva fácil seguir el globo con la mira, se puede empezar a utilizar el objetivo en la opción de baja magnificación para seguir el globo. Esto observar el globo más de cerca. Detalles sobre como hacer esto en el punto 2.4.2 de este manual.

Luego de varios minutos el globo puede aparecer demasiado pequeño en el visor, para lo cual se recomienda cambiar a la opción de alta magnificación. Ello permitirá seguir el globo con un mejor acercamiento y mayor precisión. Detalles sobre como pasar a alta magnificación en el punto 2.4.3 de este manual.