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Osservazione Radio degli Eventi Meteorici

Abstract : in questo post vogliamo presentare alcuni risultati ottenuti con il nostro sistema di ricezione radio dello scattering meteorico (Sistema di Ricezione del Radio-Scattering Meteorico). Abbiamo puntato l’antenna nella direzione del radar Graves ad una angolazione di circa 50° ed abbiamo raccolto i dati per qualche giorno. Il periodo di questa osservazione non coincide con picchi di sciami meteorici quindi ci siamo concentrati soprattutto sulle caratteristiche degli eventi più che sulla loro numerosità. 

Software Echoes

Abbiamo utilizzato il software open Echoes di gmbertani. Echoes è un software di analisi spettrale radio per dispositivi RTL-SDR, progettato per scopi di scattering meteorico. Il suo obiettivo principale è analizzare e registrare la potenza totale dei segnali radio naturali e generare screenshot e output di dati tabulari (CSV, GNUplot) in presenza di particolari picchi in una ristretta gamma selezionata di frequenze.

Caratteristiche

  • Cattura spettri a cascata sottoforma di screenshot PNG e file di dati statistici
  • Opzionalmente genera file di dati GNUplot
  • Più istanze possono gestire dongle separati collegati allo stesso computer
  • Tre modalità operative: continua (registra solo i dati), periodica (cattura i dati e cattura screenshot ogni X secondi) e automatica (registra i dati e cattura screenshot ogni volta che viene superata una soglia configurabile (S-N))
  • Produzione di report HTML
  • Installatori pronti per Windows e RPM/SRPM per Linux
  • Pacchetto binario xz pronto per la distribuzione Raspberry PI/Arch
  • Può funzionare senza monitor, registrando solo GNUplot e dati statistici

Di seguito puoi vedere la GUI del programma.

Il Fenomeno Meteore

Ogni giorno un numero elevatissimo di piccoli frammenti rocciosi e/o metallici (meteoroidi e polveri) provenienti dallo spazio interplanetario entrano nell’atmosfera terrestre a velocità ipersoniche, comprese tra gli 11 e i 72 km/s. Ciò li porta collidere violentemente con le molecole e gli atomi che costituiscono la parte alta dell’atmosfera terrestre.
A tali velocità, ogni singola collisione di una molecola atmosferica con il meteoroide libera mediamente un’energia dell’ordine del centinaio di Joule, sufficiente a ionizzare e ad eccitare gli atomi meteorici e quelli atmosferici. Mentre il meteoroide attraversa zone sempre più dense dell’atmosfera terrestre, la sua temperatura superficiale può raggiungere le diverse migliaia di gradi. Ciò ne causa la fusione e l’evaporazione. Questo fenomeno, denominato ablazione, porta rapidamente alla distruzione parziale o completa del meteoroide. L’emissione luminosa di tipo transiente che ne risulta prende il nome generico di meteora. La presenza di una scia di atomi ionizzati ed elettroni liberi rende questo fenomeno rilevabile e studiabile attraverso tecniche radar, come abbiamo illustrato nel precedente post Sistema di Ricezione del Radio-Scattering Meteorico.

(tratto dal Istituto di Radioastronomia – INAF Technical Report IRA 483/14)

Il numero di meteore che entrano nell’atmosfera terrestre non è costante durante il giorno. A causa del moto di rivoluzione della terra attorno al sole ed al suo moto di rotazione (antiorario se visto dal polo Nord) le condizioni di maggiore probabilità di impatto si verificano dalla mezzanotte fino all’alba, come viene spiegato nello schema seguente.

 

 

Anche durante l’anno il numero delle meteore non si mantiene costante ma presenta dei massimi in corrispondenza ai cosidetti sciami meteorici. Questi si verificano quando la terra, durante il suo orbitare, attraversa le orbite cometarie ricche di polveri e frammenti. Nella tabella che riportiamo sotto sono indicati i principali sciami meteorici che si verificano durante l’anno.

Rilevazione Radio

La rilevazione radio delle meteore si basa sulla ricezione della riflessione del segnale inviato dal trasmettitore da parte dlla scia meteorica. Quando l’onda radio inviata dal trasmettitore investe la traccia ionizzata meteorica, le particelle cariche della scia oscillano sotto l’influenza del campo elettrico dell’onda incidente, a causa di questa oscillazione queste particelle reirradiano l’onda elettromagnetica. Il processo di riemissione elettromagnetica è principalmente dovuto agli elettroni liberi. Dal punto di vista della riflessione radar, le scie meteoriche si possono dividere in due “categorie” : le scie ipodense e le scie iperdense.

Scie Ipodense

le scie ipodense corrispondono alle meterore più deboli, spesso non visibili ad occhio nudo, esse sono caratterizzate da una densità degli elettroni liberi relativamente bassa. In questo caso l’onda radio riesce a penetrare all’interno della scia e viene diffusa dai singoli elettroni. Il radio eco di una scia ipodensa è caratterizzato da un rapido fronte di salita ed un veloce decadimento esponenziale del segnale dovuto al rapido dissolvimento della scia ionizzata. Il segnale ha una durata complessiva pari a frazioni di secondo. Il nostro software però non ha risoluzione temporale sufficiente ad evidenziare il decadimento esponenziale del segnale: la metora ipodensa avrà quindi una durata minima e sarà visualizzata nel grafico a cascata come un punto od una riga orizzontale luminosa, il grafico della potenza avrà un picco di forma rettangolare, come mostrato nelle immagini seguenti.

Scie Iperdense

Quando la densità degli elettroni liberi presenti nella scia meteorica supera una certa soglia si parla di scia iperdensa. Le scie iperdense corrispondono alle meteore più brillanti visibili nel cielo. In una scia iperdensa gli elettroni liberi costituiscono una sorta di plasma e le onde radio vengono riflesse specularmente dalla superficie della scia ionizzata. Il radio eco ricevuto da una scia iperdensa ha in genere potenza più elevata rispetto ad una ipodensa e può durare anche svariati secondi.
Durante questo intervallo di tempo la potenza del segnale può subire variazione irregolari e modulazioni dovuti ai movimenti della scia a causa dei venti di alta quota e anche a causa di fenomeni di interferenza (oscillazioni di Fresnel). La meteora iperdensa produrrà quindi un radio eco con durata in genere superiore ad 1 sec. e sarà visualizzata nel grafico a cascata come una riga verticale luminosa, come mostrato nelle immagini seguenti.

Doppler Shift

Dato che la riflessione radio, nella maggior parte dei casi, non viene provocata dalla meteora stessa bensì dalla sua traccia ionizzata, rispetto al trasmettitore ed al ricevitore il punto di riflessione dell’onda radio appare statico. Questo si traduce in una riflessione alla medesima frequenza dell’onda trasmessa, cioè 143.050 MHz. Nella realtà però si assiste ad un spettro di frequenze più o meno spostato rispetto alla portante, con valori che vanno dai 100 Hz ai 1000 Hz, come mostrato nelle immagini seguenti. Questi valori di Δf corrispondono a velocità di circa 100 – 1000 m/s (dall’effetto Doppler : V=Δf *λ). Questi effetti vengono spiegati dai movimenti della scia (traslazioni e ribaltamenti) provocati dai venti di alta quota.

Conclusioni

I risultati ottenuti sono molto positivi. L’antenna, pur essendo auto-costruita si comporta “egregiamente”, la catena di amplificazione e filtrazione fornisce al dispositivo SDR un buon segnale. Il software Echoes ci permette l’acquisizione automatica di tutti gli eventi meteorici e produce ottimi report in formati facilmente trattabili con altri programmi di analisi dati.
Il prossimo passo sarà l’acquisizione dei dati durante uno sciame meteorico rilevante in modo da valutare anche la numerosità degli eventi in funzione dell’ora e del giorno di osservazione.

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