Tecnica Radio Meteor Scatter per monitorare il flusso meteorico
L’osservazione radio dei fenomeni elettromagnetici causati dal “bombardamento” dovuto ai corpi che dallo spazio esterno entrano nell’atmosfera terrestre è una stimolante attività dilettantistica: interessa gli appassionati perché studia eventi astronomici “locali” che producono effetti misurabili nello spettro radio ed è realizzabile con una strumentazione tecnicamente accessibile e relativamente economica.
Durante il suo moto di rivoluzione intorno al Sole, la Terra incrocia l’orbita di un grande numero di oggetti (meteoroidi) che impattano con gli atomi e con le molecole dell’atmosfera terrestre a velocità variabili tra 11 Km/s e 72 Km/s.
Mentre il meteoroide attraversa regioni più dense dell’atmosfera, la sua temperatura sale fino a diverse migliaia di gradi causando la fusione e l’evaporazione del materiale, fino alla parziale o completa distruzione (ablazione). Gli atomi liberati collidono con le molecole dell’aria rilasciando energia che provoca radiazione elettromagnetica, eccitazione luminosa, ionizzazione e un locale incremento della temperatura. L’emissione luminosa transiente è chiamata meteora (la stella cadente). Si forma quindi una lunga e sottile traccia cilindrica, con una densità volumetrica di elettroni liberi molto superiore a quella dell’aria circostante (colonna di plasma), in grado di riflettere le onde radio emesse da un trasmettitore operante nella banda VHF (30-300 MHz) – Fig.1.
Gli strumenti dedicati allo studio delle meteore e della materia interplanetaria che interagisce con l’atmosfera terrestre si chiamano radar meteorici. Il termine radar (Radio Detection And Ranging) si riferisce a un sistema elettronico che osserva oggetti distanti utilizzando la riflessione o la dispersione (scattering) di onde radio emesse da un trasmettitore che “illumina” il bersaglio. I radar meteorici più diffusi sono di tipo bi-statico, con il trasmettitore e il ricevitore distanti fra loro, posizionati in modo che la curvatura terrestre impedisca al ricevitore di captare direttamente i segnali del trasmettitore. Solo quando la traccia meteorica riflette o diffonde obliquamente (forward scattering) le onde radio incidenti, l’eco raggiunge il ricevitore e genera una traccia radar.
Questa tecnica, chiamata Radio Meteor Scatter, presenta molti vantaggi: copre grandi aree di cielo rivelando oggetti molto piccoli (con massa dell’ordine dei microgrammi) e i “radio-echi” sono osservabili a qualsiasi ora del giorno, indipendentemente dalle condizioni meteorologiche locali. Il sistema è utilizzato anche per monitorare i detriti spaziali e molti altri fenomeni atmosferici che disperdono energia elettromagnetica nella banda VHF come, ad esempio, i fulmini.
In funzione della loro densità elettronica, le tracce osservabili si classificano in due principali categorie: tracce iperdense e tracce ipodense.
La bassa densità elettronica del canale ionizzato ipodenso consente all’onda elettromagnetica incidente di attraversarlo: gli elettroni interni diffondono la radiazione e si comportano come oscillatori indipendenti. Al contrario, l’elevata densità di elettroni presente nelle tracce iperdense riflette completamente l’onda radio con una modalità identica a quella di una ordinaria riflessione ionosferica. La densità elettronica lineare critica (il numero di elettroni liberi contenuti in un metro di lunghezza della traccia) di transizione fra i due tipi di tracce è circa 2.4 ∙ 1014 elettroni/m, con una grande quantità di casi intermedi complessi.
E’ possibile studiare via radio il fenomeno meteorico installando la parte passiva (quella ricevente) di un radar bi-statico in modo da sfruttare un potente trasmettitore radio commerciale o militare come parte attiva. Uno di questi, adatto per gli osservatori europei, è il radar francese GRAVES (Grand Réseau Adapté à la Veille Spatiale), un sistema di sorveglianza dei satelliti artificiali e dei detriti orbitanti attorno alla Terra ad altezze comprese tra 400 km e 1000 km. Il trasmettitore è situato circa 35 km a est di Dijon, opera alla frequenza di 143.050 MHz, è composto da 4 array di antenne a pannello (phased array) meccanicamente fisse in azimut e in elevazione (Fig. 5). La portante del segnale radio è trasmessa contemporaneamente in 4 direzioni diverse del cielo, fra loro equi-spaziate, con una potenza radio di circa 10 kW per ogni pannello. L’osservazione dei segnali radio riflessi dalle tracce meteoriche avviene sintonizzando il ricevitore sulla frequenza del trasmettitore che “illumina” costantemente una vasta porzione di cielo. Quando il canale ionizzato prodotto da un meteoroide riflette o diffonde obliquamente le onde radio incidenti, queste possono raggiungere il ricevitore e produrre un eco radar. Il fenomeno, che dura da frazioni di secondo a qualche secondo, si studia nel dominio del tempo e della frequenza (analizzando l’evoluzione dello spettro associato alla riflessione radio) utilizzando adatti programmi reperibili gratuitamente sul web. Misurando l’intensità del segnale ricevuto e il suo spostamento Doppler in frequenza si ricavano importanti informazioni sul movimento della sorgente (Fig. 2). Questo sistema è alla portata di tutti: è sufficiente avere un buon ricevitore VHF operante sulla stessa frequenza del trasmettitore, un’antenna e un personal computer.
Le seguenti immagini mostrano la struttura della stazione ricevente Meteor Scatter RALmet funzionante sulla frequenza del trasmettitore GRAVES.
La distanza del trasmettitore dalla stazione RALmet è circa 725 km in linea d’aria (Fig. 5): il segnale irradiato non è ricevibile, normalmente, per onda diretta. Lo studio delle riflessioni radio, che si manifestano come improvvisi incrementi di potenza del segnale ricevuto, avverrà nel dominio della frequenza tramite spettrogrammi e nel dominio del tempo con grafici che mostrano la potenza di rumore all’interno della banda passante del ricevitore.
Come si vede dalla Fig. 3, l’antenna ricevente della stazione RALmet è un semplice dipolo rigido “tagliato” sulla frequenza di lavoro, equipaggiato con balun (un dispositivo che adatta l’impedenza bilanciata dell’antenna a quella sbilanciata del cavo coassiale che trasporta il segnale al ricevitore), installato sul tetto di un edificio e orientato con il suo lobo di ricezione in direzione del trasmettitore. Si è scelta un’antenna con ampio “campo di vista”: se il dipolo è opportunamente orientato rispetto al trasmettitore e collocato alla giusta altezza dal terreno, si ricevono gli echi provenienti da un grande volume di cielo, requisito indispensabile per applicazioni di conteggio automatico delle radio-meteore.
Il ricevitore è stato progettato e costruito “ad hoc” nello stile amatoriale curando, oltre alla sensibilità e alla stabilità di frequenza, la capacità di reiezione dei segnali interferenti prossimi alle frequenze di ricezione, sempre molto intensi in banda VHF. Il sistema è a tripla conversione di frequenza sintonizzabile nell’intervallo 140-146 MHz variando la frequenza del primo oscillatore locale, un dispositivo DDS (Direct Digital Synthesizer) gestito da un microcontrollore (Fig. 4). Una porzione della banda di ricezione è traslata in banda-base 0.5-48 kHz: l’uscita prevede la coppia di segnali in fase (I) e in quadratura (Q) indispensabili per implementare via software tecniche di reiezione della frequenza immagine. Non sono previsti demodulatori: la coppia di uscita è applicata agli ingressi stereo di una scheda audio di buona qualità, collegata al computer attraverso una porta USB. E’ ovviamente possibile utilizzare direttamente la scheda audio interna di un computer portatile: anche se la qualità del processo di elaborazione potrebbe essere inferiore, il livello dei segnali applicati è tale da non degradare apprezzabilmente gli spettrogrammi acquisiti
Sono reperibili ottimi programmi per la visualizzazione e la registrazione degli spettrogrammi ma, in questo lavoro, ho preferito utilizzare Spectrum Lab (eccellente lavoro di Wolfgang Büscher DL4YH, gratuitamente scaricabile dal web) per le sue ampie possibilità di configurazione e di programmazione che consentono di automatizzare il processo di acquisizione e di registrazione dei dati. Il primo passo è stato quello di configurare il programma per l’abbinamento con un ricevitore SDR (Software Defined Radio), come il nostro prototipo, così da implementare via software la reiezione della frequenza immagine. Successivamente si sono impostate le opzioni per la cattura periodica degli spettrogrammi e si è scritta una sequenza di istruzioni (le cosiddette Azioni Condizionali di Spectrum Lab) per il conteggio automatico e per la misura di alcuni parametri importanti degli eventi meteorici come la loro durata, la frequenza associata al massimo della traccia spettrale e la sua energia, la potenza corrispondente al segnale ricevuto e al rumore di fondo, insieme ad altri particolari che ottimizzano l’affidabilità dell’algoritmo.
La connessione della stazione ricevente alla rete internet consente il controllo e la gestione a distanza dell’attività, oltre alla possibilità di scaricare i dati giornalieri delle osservazioni.
Descriverò i particolari di questo lavoro in articoli successivi.
Il seguente grafico riassume, su base annuale, il conteggio giornaliero delle radio-meteore effettuato durante il primo anno di installazione della stazione, dedicato alla messa a punto del sistema ricevente e degli algoritmi di rivelazione automatica degli eventi. Nonostante la ridotta sensibilità del ricevitore, dovuta a temporanei problemi tecnici (sono stati conteggiati solo gli eventi di maggiore intensità), si notano i principali sciami meteorici osservabili alle nostre latitudini.
