Osservazione delle Meteore con tecniche Radio: Un’ introduzione Liceo Scientifico Statale “Duca degli Abruzzi” Gorizia, 11 Marzo 2006 Osservazione delle Meteore con tecniche Radio: Un’ introduzione Massimo Devetti, IV3NDC Associazione Radioamatori Italiani Sezione di Gorizia

Meteore o “Stelle Cadenti”

Meteoroidi: classificazione Micrometeore: massa < 10-7 g Meteore: 10-7 g < massa < 103 g Meteoriti: massa > 103 g

Il 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. L’elevata energia (in particolare cinetica) associata al Meteoroide si trasforma quindi in: - Radiazione nello spettro visibile - Aumento di temperatura - Ionizzazione delle particelle circostanti

Fotografica Telescopica Video Radio Tecniche di osservazione delle meteore Visuale Fotografica Telescopica Video Radio

Osservazione delle meteore: Tecnica Visuale

Osservazione delle meteore: Tecnica Visuale

Osservazione delle meteore: Tecnica Fotografica

Osservazione delle meteore: Tecnica Telescopica e Video

L’osservazione con tecniche radio permette di svincolarsi da una serie di limitazioni, proprie delle precedenti metodologie: Imprecisione dell’osservatore 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.

Suddivisione dello spettro radio 3 KHz – 30 KHz VLF 30 KHz – 300 KHz LF 300 KHz – 3 MHz MF 3 MHz – 30 MHz HF 30 MHz – 300 MHz VHF 300 MHz – 3 GHz UHF 3 GHz – 30 GHz SHF 30 GHz – 300 GHz EHF

Fino a frequenze di alcune decine di MHz, le comunicazioni radio a lunga distanza sono consentite da un nota proprietà degli strati di gas ionizzato: un’onda elettromagnetica incidente (da direzione opportuna) un volume a sufficiente densità di ionizzazione, può essere diffusa, rifratta o riflessa. Strati di tale natura esistono nella ionosfera terrestre.

Struttura della Ionosfera

“Riflessioni” di onde e.m. sulla Ionosfera

Diffusione Troposferica ( Tropo Scatter ) Su frequenze più alte, l’eventuale possibilità di trasmissione a grande distanza è demandata a fenomeni propagativi di natura diversa, presenti su base regolare o, più tipicamente, occasionale: Diffusione Troposferica ( Tropo Scatter ) Super-Rifrazione Troposferica Rain Scatter e Snow Scatter Propagazione Trans-Equatoriale Diffusione Ionoferica Riflessione su strato E-sporadico FAI – Scatter Diffusione da Aurore Boreali Diffusione da Meteore ( Meteor Scatter )

Diffusione Troposferica: cenni Se il volume “illuminato” dalle antenne delle stazioni ricevente e trasmittente contiene elementi di discontinuità, dovuti a turbolenze atmosferiche, si verifica il fenomeno dello Scattering ovvero diffusione, sparpagliamento di una certa aliquota di potenza incidente in tutte le direzioni, tra cui anche la direzione utile al collegamento.

Rifrazione Troposferica: cenni β ε2 Legge di Snell per due mezzi omogenei (di uguale permeabilità magnetica relativa) ε1 / ε2 ( Sin β ) / ( Sin α) = ε1 α Modello semplificato di atmosfera stratificata- ε decrescente con la quota ε5 ε4 ε3 ε2 ε1 Passaggio al limite - Modello (più realistico) con ε decrescente linearmente rispetto alla quota (Modello detto di Atmosfera Standard)

Riflessione su strato E-sporadico: cenni Direzione dei venti ionosferici Strato iperdenso W

Diffusione da Aurore Boreali: cenni

Meteor Scatter Il passaggio di un meteoroide in atmosfera lascia una scia, più o meno densa e persistente, di gas ionizzato. Tale volume di spazio è in grado quindi di diffondere o riflettere le onde radio ad essa incidenti, anche su frequenze relativamente alte, fintantochè la densità di ionizzazione rimane su valori sufficientemente elevati. A causa della ricombinazione tra ioni ed elettroni liberi (peraltro facilitata dall’azione dei venti ionosferici) infatti, la densità di ionizzazione della traccia meteorica permane solo per un certo intervallo di tempo ad un valore tale da garantire la riflessione su una certa frequenza. Per un intervallo di tempo che può andare da frazioni di secondo ad alcuni minuti, la traccia ionizzata lasciata da una meteora è in grado quindi di creare le condizioni per la propagazione di onde radio a grande distanza, anche su frequenze VHF-UHF ove ciò normalmente non avviene.

Meteor Scatter Sintonizzando il ricevitore sulla frequenza di trasmissione di un emittente lontana, normalmente non ricevibile, siamo in grado di ricevere tale emittente per brevi intervalli di tempo. Ciò avverrà ogni qualvolta il passaggio di una meteora crea una traccia ionizzata, ad altezza e direzione opportuna rispetto alla tratta tra le due stazioni.

Meteor Scatter Tale fenomeno può essere utilizzato per effettuare collegamenti a grande distanza, con modalità opportune, su frequenze ove non sono disponibili altre forme propagative Meteor Burst Communications Ma, visto che la ricezione temporanea della stazione lontana segnala anche l’entrata in atmosfera di un meteoroide, questa tecnica può essere usata anche per il monitoraggio e l’osservazione delle meteore. Meteor Radar Observations (o Back Scatter Observations) Forward Scatter Meteor Observations

Meteor Back Scatter Observations Meteora Radar Meteorici Attivi Antenna Radar

Forward Meteor Scatter Observations Meteora D Trasmettitore Ricevitore A differenza della tecnica precedente, tipica dell’ambito accademico e professionale, il Forward Meteor Scatter è alla portata dei ricercatori amatoriali, qualora si utilizzi trasmettitori preesistenti. Questi tuttavia devono essere scelti sulla base di specifiche opportune.

Caratteristiche del Trasmettitore Ideale per F.M.S.O. Sufficientemente distante da non essere normalmente ricevibile ( typ. D>600 Km ) Non troppo distante da non consentire lo Scattering meteorico, per motivi geometrici ( D<2300 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, direttività dell’antenna non sfavorevole

Caratteristiche degli echi ricevuti Nella maggior parte dei casi viene scelto un trasmettitore televisivo in VHF Banda I, sintonizzando la frequenza di Portante Video. In tal caso gli “echi” ricevibili sono costituiti da note di tonalità costante, che compaiono randomicamente con durata e ampiezza variabile. Una volta note le caratteristiche del sistema trasmittente e ricevente, le tipologie di echi e le loro caratteristiche dipendono solo da parametri legati al meteoroide che lo produce. 48.250 MHz Navacerrada (ESP) Recorded 05/03/2006 49.750 MHz Minsk (BLR) + various East EU Recorded 05/03/2006

Echi Ipodensi ( “Pings” ) Tracce da Micrometeore; Echi da Diffusione (Scattering)

Echi Iperdensi brevi ( “Short Bursts” ) Tracce da Meteore di dimensioni maggiori; Echi da Riflessione/Diffusione

Echi Iperdensi lunghi ( “Long Bursts” ) Tracce da Meteore di dimensioni considerevoli; Echi da Riflessione Speculare con eventuali interferenze

Meteore Sporadiche e Sciami Nell’atmosfera terrestre entra in continuazione un’enorme quantità di materiale solido proveniente dallo spazio esterno. Il numero di tali meteoroidi è inversamente proporzionale alla loro massa. Tale attività meteorica “di fondo” è sempre presente, in maggiore o minor misura, e le meteore ad essa associate vengono dette “Sporadiche”. Oltre a ciò la Terra, nel suo moto orbitale, viene periodicamente ad intersecare degli Sciami di Meteore ( Meteor Streams ), ovvero fasce a densità di meteore molto maggiore, associate a orbite di comete. In tal caso si verifica, per determinati periodi, un aumento, talvolta notevole, del flusso meteorico rispetto al livello normale. Terra Meteor Stream Orbita terrestre

Meteore Sporadiche e Sciami Gli sciami noti sono centinaia: la maggior parte provoca un piccolo aumento di flusso meteorico, spesso indistinguibile dal livello di fondo; alcuni di essi, tuttavia, esibiscono periodicamente dei consistenti aumenti di attività ( Outbursts ). Alcuni sciami invece presentano regolarmente una attività meteorica considerevole, e sono per questo i più noti. Il nome dello sciame è associato alla costellazione ove si trova il cosiddetto Radiante, ovvero il punto della volta celeste ove, per effetto prospettico, sembrano partire le scie luminose note come “Stelle Cadenti”, provocate dalla combustione delle meteore nel loro ingresso nell’atmosfera terrestre.

Meteore Sporadiche e Sciami Il flusso di meteore sporadiche ha variazioni diurne e stagionali: è legato a vari fattori, il principale è l’altezza del punto di Apice rispetto l’orizzonte: esso è il punto che identifica la regione di atmosfera avente massima probabilità di intercettare meteore; l’altezza dell’Apice ha variazioni giornaliere e stagionali, e con esse il Meteor Flux. L’ andamento è circa sinusoidale, con massimo nelle prime ore del mattino e minimo nella prima serata. Stagionalmente, il massimo è in settembre e il minimo in Febbraio. Il flusso associato agli sciami invece ha un andamento legato all’intersezione con l’orbita del relativo Stream, e alla struttura dello Stream stesso. L’attività di sciame è rilevabile per periodi anche di parecchi giorni, mentre il picco ( o i picchi ) di flusso possono avere durate che vanno da frazioni di ore ad alcuni giorni. Meteor Flux Time

Meteore Sporadiche

Gli sciami principali SCIAME PICCO (indicativo) ZHR Max, Typ Quadrantidi 3 Gennaio 120 Liridi 22 Aprile 15 η - Aquaridi 5 Maggio 60 Arietidi 7 Giugno 40 ζ -Perseidi 9 Giugno 40 δ-Aquaridi S 28 Luglio 20 Perseidi 12 Agosto 80 Orionidi 20 Ottobre 20 Leonidi 17 Novembre >20 Geminidi 13 Dicembre 100

Cosa si può osservare con sistemi radio? Osservazioni su singolo meteoroide: Quota di Ablazione Velocità di impatto Posizione spaziale e direzione di arrivo Composizione chimica del meteoroide Massa del meteoroide Acquisizione di forma d’onda e spettro di un singolo eco, con uno o più sistemi riceventi.

Cosa si può osservare con sistemi radio? Osservazioni su grandi numeri di meteoroidi: Monitoraggio flusso Sporadiche Monitoraggio attività sciami noti e non Monitoraggio Outbursts e sciami periodici Determinazione parametri dello sciame ( Curva di attività, RHR/ZHR, Velocità media, Distribuzione di massa, Parametri orbitali, anomalie, struttura dello stream….) Osservazioni continuative o comunque su lungo periodo, generalmente con un singolo sistema ricevente. Conteggio del numero di echi; acquisizione della loro frequenza e caratteristiche. Approccio statistico.

Esempi di risultati osservativi

Esempi di risultati osservativi

Esempi di risultati osservativi

Esempi di risultati osservativi

Esempi di risultati osservativi

Esempi di risultati osservativi

Schema di un sistema osservativo FMS: Il costruendo osservatorio meteorico… al Liceo Scientifico di Gorizia Reduction & Analisys Acquisition ANT. 4 El. Yagi ANT. Preamp. A / D BOARD F= 55.05 MHz AUDIO AGC Riduzione e correzione: Dead Time (Sottrazione Sporadiche) - Funzione Osservabilità (efficienza geometrica) RX CONVERTER VHF RECEIVER IF 149 MHz LO 94 MHz Data & Plots Elaborazione

Under Construction…

Per chi volesse saperne di più… International Meteor Organization: http://www.imo.net American Meteor Society: http://www.amsmeteors.org Meteor Observing Bulletin: http://www.meteorobs.org SkiYmet Meteor Radar: http://www.iap.kborn.de/radar/Radars/Skiymet Meteor Showers List: http://comets.amsmeteors.org Global MS Net: http://aio.arc.nasa.gov/leonid/Global-MS-Net/ Meteors & Propagation: http://www.vhfdx.de http://www.qsl.net/dk3xt http://www.Kolumbus.fi/oh5iy Per eventuali Info: iv3ndc@yahoo.it