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ICARA 2012 - Colle Leone (TE), 27-28 ottobre 2012 Radiometeore, oggi Giovanni Aglialoro, IV3GCP Massimo Devetti, IV3NDC.

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1 ICARA Colle Leone (TE), ottobre 2012 Radiometeore, oggi Giovanni Aglialoro, IV3GCP Massimo Devetti, IV3NDC

2 Osservazioni del Flusso Meteorico con tecniche radio Un Meteoroide, a causa del campo gravitazionale terrestre, entra nella nostra atmosfera a velocità di decine di km/s. Appena esso incontra strati gassosi sufficientemente densi, si riscalda per attrito, evaporando in superficie ( processo di ablazione ). Gli atomi così liberatosi collidono con gli atomi di gas circostante. Lelevata energia (in particolare cinetica) associata al Meteoroide si trasforma quindi in: -Radiazione nello spettro visibile -Aumento di temperatura - Ionizzazione delle particelle circostanti

3 Il flusso meteorico normale (Meteore Sporadiche) presenta variazioni giornaliere e stagionali. Oltre a ciò, in certi periodi dellanno lorbita terrestre interseca Streams ad alta densità di Meteoroidi (Sciami di Meteore). Quali sono le tecniche osservative applicabili al flusso meteorico? Visuale Fotografica Telescopica Video Radio

4 Il passaggio di un meteoroide in atmosfera lascia una scia di gas ionizzato che diffonde o riflette (per un certo intervallo di tempo, proporzionale al quadrato della lunghezza donda incidente) le onde radio ad essa incidenti, su frequenze ove normalmente non è possibile la ricezione oltre lorizzonte radio. Sintonizzandosi su una frequenza ove irradia un trasmettitore noto (il cui segnale normalmente non è ricevibile), il passaggio di una meteora è segnalato da un eco del segnale proveniente dal trasmettitore considerato. Le osservazioni delle Meteore con tecniche radio si basano sul principio del Meteor Scatter

5 Losservazione con tecniche radio permette di svincolarsi da una serie di limitazioni, proprie delle precedenti metodologie: Imprecisione dellosservatore umano Impossibilità di osservazioni diurne Dipendenza dalle condizioni climatiche Inquinamento luminoso Dinamica strumentale (osservazione delle sole meteore visibili) Le osservazioni radio, pur soffrendo di una serie di altre limitazioni, costituiscono tuttavia uno dei metodi più efficaci per lo studio delle meteore, e sono adatte in particolare a sessioni osservative su lungo periodo.

6 Meteor Back Scatter Observations (Radar Meteorici Attivi) Antenna Radar Meteora

7 Forward Meteor Scatter Observations Meteora TrasmettitoreRicevitore A differenza della tecnica precedente, tipica dellambito accademico e professionale, la tecnica osservativa basata sul Forward Meteor Scatter è alla portata dei ricercatori amatoriali, qualora si utilizzi un trasmettitore preesistente. Questo tuttavia deve essere scelto sulla base di opportune specifiche. D

8 Caratteristiche del Trasmettitore Ideale per F.M.S.O. Sufficientemente distante da non essere normalmente ricevibile via Tropo ( typ. D>600 Km ) Non troppo distante da non consentire lo Scattering meteorico, per motivi geometrici ( D<2200 Km ) Frequenza di trasmissione nota e non interferita da altre emittenti Operante in continuità senza interruzioni di servizio Segnale trasmesso di caratteristiche invarianti nel tempo ( es: portante non modulata ) Frequenza operativa che non permette forme propagative tali da consentire la ricezione (ad eccezione del M.S.): Gamma VHF Potenza di trasmissione sufficientemente elevata, Radiation Pattern dellantenna non sfavorevole

9 Frequenza operativa scelta: 55,052 MHz (Portante Video DR1, Fyn, Denmark) Fino all'anno 2010 Questo trasmettitore TV presentava caratteristiche ottimali in termini di: - distanza dalla stazione ricevente ( ~ 1100 Km ) - potenza di uscita (25 KW ERP, Pattern omnidirezionale) - operatività ( h24 tutto lanno ) - immunità alle interferenze (non vi sono altri trasmettitori su freq. vicine) Audio (MHz)Audio (MHz) CityvaCityva StationStation Audio ERPAudio ERP CoordinatesCoordinates HAAT (m)HAAT (m) Country Video (MHz) Audio (MHz) CityStation Video ER P (W) Audio ERP (W) CoordinatesHAAT (m) Denmark FynDR 125,0001, E / 55-17N 221

10 Osservatorio Radio-meteorico del Liceo Scientifico di Gorizia: configurazione fino al 2010 ANT. 4 el. Yagi ANT. Preamp. f = MHz RX CONVERTER LO 94 MHz IF = MHz VHF RECEIVER AUDIOAGC A / D BOARD Acquisition Reduction & Analisys Data & Plots ATT

11 Caratteristiche tecniche del sistema Antenna: Yagi 4 elementi f0 = 55 MHz, G = 6,5 dBd; HPBW (a -3dB) =65°; LNA: MosFet BF981, G = 16 dB, NF = 1 dB;

12 Caratteristiche tecniche del sistema Linea di discesa coassiale: 15 m di RG213 Step Attenuator: 50, 0, dB; Up converter: 2x BF981 + mixer SBL1, G = 20 dB, NF = 1,5 dB, Oscillatore Locale 94 MHz, uscita 40 mW (+16 dBm);

13 Caratteristiche tecniche del sistema Ricevitore IF: Yaesu FRG 9600 (uscita audio, uscita AGC); Scheda A/D: 8 bit Flytec FPC010 Computer: PC Pentium 133 MHz con Windows 98 ! Software: Automatic Meteor Counting System

14 Software di acquisizione Rileva gli echi causati dallingresso di un meteoroide in atmosfera e li associa ad eventi, che vengono registrati su file di testo. Il sampling combinato dei segnali AGC (Open Loop) e Audio permette di determinare se unaumento di potenza ricevuta è dovuto a segnale utile (eco meteorico) o a rumore. Lanalisi del segnale audio permette anche, entro certi limiti, un filtering nei conteggi (echi dovuti ad altri trasmettitori, sufficientemente lontani in frequenza, non vengono conteggiati).

15 Software di acquisizione AGC (Open Loop) PWR PWR > PwrThr ? No Signal / No Meteor Detection PwrThr = NoiseFloor + ΔPwr NO YES Autocorrelation Algorithm AUDIO K > KThr ? NO Meteor Detection To counter 10 Hz Sampling No Meteor Detection YES

16 Software di acquisizione Il coefficiente di Autocorrelazione K assumerà valore elevato solo se la potenza del segnale audio è concentrata, in termini di spettro, attorno alla frequenza del Tono Audio che ci aspettiamo di ricevere dal trasmettitore lontano. I Parametri NoiseFloor, ΔPwr e KThr sono impostabili allinizio della sessione di osservazione. Il loro valore definisce la Sensibilità (Magnitudine Limite) del sistema di rilevazione e conteggio di eventi meteorici. In base alla tipologia di osservazione da effettuare (Meteore Sporadiche, Sciami Minori, Sciami Maggiori o Meteor Storms) i parametri sopraccitati (come lattenuazione sulla catena di ricezione) vanno scelti nell ottica del miglior compromesso tra Sensibilità ed Immunità ai disturbi.

17 Procedura di osservazione 1.Accensione del sistema ed eventuale setup 2.Lacquisizione è automatica; ogni 24 ore vengono generati 2 file (formato testo) contenenti i dati acquisiti secondo diverse modalità; i file vengono aggiornati ogni 20 minuti 3.Trasferimento dei file al PC dedicato allanalisi; elaborazione con appositi tool (es.: fogli Excel) …una breve clip del sistema in azione

18 Esempio di file generati Quiet Signal -125 dB Trigger Size 2 dB Audio Threshold 55 Max Ping Duration 8 * 0.1 sec Transmitter ID DR1 Frequency MHz RX Antenna 4elYagi Antenna Beamwidth 65Degs Beam Azimuth 355Degs Beam Elevation 5Degs Minimum RX NF 2dB Attenuation 12dB DA MO YR HR MN SC FALSES PINGS METEOR ======== ======== ====== ====== ====== (riporta i conteggi del numero di echi ad intervalli regolari di 20 min) tot long dd mm yy hh mm ss dur met met met met met met met (raggruppa gli echi in classi di durate, su base oraria) Esempio di elaborazione dati

19 Andamento giornaliero del flusso meteoritico Source: METEOR SCIENCE AND ENGINEERING, D.W.R. McKinley 1961 Tale flusso ha variazioni stagionali e giornaliere, legate principalmente allaltezza del punto di Apice celeste rispetto allorizzonte: tale punto corrisponde alla regione di atmosfera avente la massima probabilità di intercettare meteore. Landamento del flusso è in prima approssimazione sinusoidale, con massimo nelle prime ore nel mattino e minimo in prima serata. Più intuitivamente, basta notare che proprio nelle ore mattutine losservatore si trova sulla zona della Terra orientata nel verso di avanzamento del moto orbitale terrestre; tale posizione consente di intercettare un maggior numero di meteore, con la massima velocità relativa tra Terra e meteoroidi.

20 Verifica del flusso meteorico giornaliero

21 Osservazioni su base continuativa Il generico conteggio rileva il flusso giornaliero di meteore sporadiche, con sovrapposti eventuali sciami

22 Osservazione di un Outburst: a-Aurigidi 2007 Predicted Peak: Sept. 1, UT ± 20 min. (Jenniskens/Lyytinen)

23 Osservazione di un Outburst: a-Aurigidi 2007

24 Osservazione di sciami: Funzione di Osservabilità La rilevazione, e la successiva estrazione di un determinato sciame dal flusso giornaliero si effettua una volta nota la Funzione di Osservabilità, relativa allo sciame considerato (oltre che funzione del tempo e della geometria di tratta). Tale funzione dipende principalmente dallaltezza del Radiante dello sciame rispetto lorizzonte, e dalla direzione reciproca (in Azimut) tra stazione TX, RX e Radiante, in funzione del tempo. In prima approssimazione, il massimo di Efficienza Radio si ha per un altezza del radiante sull'orizzonte pari a 45°, e quando la direzione del Radiante è ortogonale alla direzione di tratta radio.

25 Osservazioni di sciami: Liridi 2009 [M. Sandri, M. Devetti, G. Aglialoro – 2009]

26 Sottrazione Del Background (Meteore Sporadiche) Correzione per altezza del Radiante Calcolo del Profilo Radio Correzione per direzione (Azimuth) del Radiante

27 Profilo di Attività Finale

28 Confronto con osservazioni visuali nel radio (by Cosmic Noise team) visuale (dati IMO) Ottimo accordo tra osservazioni visuali e radio LYR 2009 Maximum according to IMO: Apr. 22, 09 UT (Λ sol = 32° 245)

29 La postazione di rilevamento… Amateur Radio Station IV3RZM Liceo Scientifico Duca degli Abruzzi piazza Divisione Julia GORIZIA QTH: 45° N - 13° E World Wide Locator: JN65TW Region 1 - CQ zone: 15 - ITU zone: 28

30 Alcuni allievi presentano lattività a ICARA 2007, Brasimone (BO) Il Progetto Radiometeore al Liceo Scientifico Duca degli Abruzzi di Gorizia Rilevare la presenza di meteore e le variazioni dellattività meteoritica con luso di tecniche radio, a fini didattici e scientifici. IV3EZM, Gabriele IV3NDC, Max

31 Sviluppi futuri Caratterizzazione completa del sistema ricevente: stima della Magnitudine Limite in diverse condizioni, determinazione del valore ottimale di attenuazione per il miglior compromesso sensibilità/accuratezza, ecc… Applicazione di algoritmi per la riduzione / correzione dei dati rilevati (Dead Time, Sporadics subtr., Observability function…) software per la stima del profilo di attività dello sciame secondo i parametri del nuovo impianto Totale automatizzazione delle procedure di acquisizione e plotting, remotizzazione, conteggi disponibili in real-time via web… Cambio di frequenza operativa: MHz (Radar di Graves, French Space Surveillance System) dato che …

32 Sviluppi futuri Con lo Switch-Off della TV analogica, in buona parte dEuropa, si sono chiusi quasi tutti i trasmettitori TV nelle basse VHF (banda I, MHz), il settore dello spettro più adatto alla ricezione di echi radio meteorici. In alcuni paesi dellEuropa orientale la TV analogica è ancora in uso su queste bande, ma i trasmettitori purtroppo non sono attivi durante la notte. es.: KN68 Kryvyi Rih, Ukraine KO33Minsk, Belarus

33 E pertanto necessario orientarsi verso losservazione di altri sistemi trasmittenti: tra questi, il più adatto per i nostri scopi sembra essere il radar di Graves (French Space Surveillance System), un radar ad onda continua per losservazione di satelliti nellorbita terrestre. Il Radar bistatico di Graves ( MHz) Location: Broye-lès-Pesmes (Dijon) °N 5.515°E WWLocator: JN27SI

34 Il Radar di Graves ( MHz)

35 TX sequence = 1,6 s

36 Il Radar di Graves: criticità Diagramma di Irradiazione tempo-variante (Phased Array): anche la funzione di osservabilità dipende dal tempo (notevole complicazione in fase di riduzione e correzione dei dati) Alcuni echi meteorici rischiano di essere troncati a causa del beam steering: sottostima della durata delleco Impossibilità, in tante aree del nostro Paese, di applicare la tecnica osservativa del Forward Scatter a causa della distanza e della direzione di puntamento (in azimuth) del radar: uso dei modelli di Back Scatter e Side Scatter

37 testi di riferimento, web-links, ringraziamenti … Un ringraziamento … a Gabriele Brajnik (IV3EZM), Marco Aglialoro, Chiara Corriga, Chiara Pizzol, Simone Kodermaz; alle classi 5D, 5C (dal 2005). D.W.R. McKinley, Meteor Science and Engineering, 1961 International Meteor Organization: Frequenze TV europee: Make More Miles on VHF: Radar Graves: Liceo Sc. Duca degli Abruzzi di Gorizia: IV3GCP, Jan, IV3NDC, Max,


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