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A cura di Flavio Falcinelli

Un'attività molto interessante è l'osservazione radio di fenomeni astronomici che influenzano la ionosfera terrestre.

In questo caso, non si dovrebbe parlare di radioastronomia, se con questo termine indichiamo l'osservazione di sorgenti cosmiche, esterne all'atmosfera terrestre. Tuttavia, è consuetudine, a livello amatoriale, includere nel campo della radioastronomia anche l'analisi di fenomeni astronomici che producono effetti misurabili nello spettro radio, come le perturbazioni ionosferiche indotte dagli eventi meteorici o dall'attività del Sole.

È interessante illustrare la tecnica Meteor Scatter che utilizza una configurazione di radar bistatico per registrare le riflessioni radio prodotte dalle tracce ionizzate che si formano (a circa 100 km di quota) quando oggetti molto veloci, provenienti dallo spazio esterno, si consumano entrando nell'atmosfera terrestre.

 Sistema a uso didattico per la ricezione di echi radar meteorici

 

L'immagine della geometria del radar bistatico è stata ripresa dal documento: “Sistema a uso didattico per la ricezione di echi radar meteorici” - G. Pupillo, C. Bortolotti, M. Roma – IRA 483/14. Gli spettrogrammi mostrati in basso sono registrazioni di echi meteorici effettuate dalla nostra stazione VHF sperimentale.

 

Si sintonizza il ricevitore (tipicamente nella banda VHF, da circa 30 MHz a 200 MHz) sulla frequenza di un potente trasmettitore radio, abbastanza distante da non essere normalmente ricevuto per onda diretta a causa della curvatura terrestre. Il trasmettitore “illumina” costantemente una vasta porzione di cielo. Solo quando la traccia meteorica riflette o diffonde obliquamente (forward scattering) le onde radio incidenti generate dal trasmettitore, queste possono raggiungere il ricevitore e produrre un eco radar.

Il fenomeno (con una durata tipica da frazioni di secondo a qualche secondo) si studia analizzando l'evoluzione nel tempo dello spettro associato alla riflessione radio della traccia meteorica ionizzata (spettrogramma), utilizzando software 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.

Il sistema è concettualmente semplice ed economico, alla portata di tutti: è sufficiente avere un buon ricevitore VHF operante sulla stessa frequenza del trasmettitore, un'antenna (tipicamente una yagi) e un PC equipaggiato con il software adatto.

Si possono scegliere vari trasmettitori come “illuminatori” del cielo: stazioni emittenti FM commerciali operanti nell'intervallo 88-108 MHz (non è cosa sempre agevole, visto l'affollamento in banda), emittenti TV analogiche (purtroppo ne sono rimaste poche, tutte nell'Europa dell'est), oppure trasmettitori dedicati come quello francese del radar GRAVES, operante a 143.050 MHz e utilizzato per controllare i detriti spaziali in orbita attorno alla Terra.

Per le nostre sperimentazioni abbiamo optato per questa scelta.

È molto importante che il trasmettitore garantisca un servizio continuo e si trovi a una distanza, dalla stazione ricevente, compresa fra 500 e 2000 km. È desiderabile che la potenza di segnale trasmessa sia stabile, ad onda continua non modulata (CW) e che il fascio dell'antenna trasmittente “illumini” sempre la stessa zona di cielo, senza variazioni spaziali.

Molta documentazione è reperibile sul web che illustra i principi e le tecniche di questa interessante attività di ricerca, particolarmente accessibile all'appassionato. Le seguenti immagini illustrano i nostri esperimenti. Ulteriore documentazione si trova nella sezione approfondimenti.

 

 La nostra stazione Meteor Scatter sperimentale operante a 143.050 MHz

 

 La nostra stazione Meteor Scatter sperimentale operante a 143.050 MHz

 

 La nostra stazione Meteor Scatter sperimentale operante a 143.050 MHz

 

La nostra stazione Meteor Scatter sperimentale operante a 143.050 MHz, ottimizzata per la ricezione degli echi meteorici prodotti dal radar francese GRAVES. Il ricevitore e l'antenna sono stati costruiti “ad hoc”. La stazione opera con continuità registrando, ad intervalli di tempo regolari, gli spettrogrammi ricevuti. Ogni giorno sono scaricati i dati dal PC di stazione e analizzati. Si eseguono conteggi di eventi, analisi statistiche e analisi spettrali.

Caratteristiche tecniche della stazione ricevente:

ANTENNA: dipolo rigido con balun;

RICEVITORE: a tripla conversione di frequenza, con DDS come primo oscillatore locale;

Uscita in banda-base audio [0-48 kHz], segnali in quadratura I & Q;

ACQUISIZIONE: scheda audio esterna 24 bit, 96 kHz sample rate;

SOFTWARE: Spectrum Lab (free by DL4YHF).

 

 Esempio di spettrogrammi che documentano due eventi meteorici notevoli catturati dalla nostra stazione sperimentale.

 

 Esempio di spettrogrammi che documentano due eventi meteorici notevoli catturati dalla nostra stazione sperimentale.

 

 Esempio di spettrogrammi che documentano due eventi meteorici notevoli catturati dalla nostra stazione sperimentale.

 

 Esempio di spettrogrammi che documentano due eventi meteorici notevoli catturati dalla nostra stazione sperimentale.

 

 Esempio di spettrogrammi che documentano due eventi meteorici notevoli catturati dalla nostra stazione sperimentale.

 

Esempio di spettrogrammi che documentano eventi meteorici notevoli catturati dalla nostra stazione sperimentale.

 

 Conteggio giornaliero degli eventi radio-meteorici

 

Il grafico mostra il conteggio aggiornato di eventi “radio-meteorici” registrati con continuità dalla nostra stazione fissa.

La ricerca evidenzia i principali sciami meteorici: durante i previsti giorni di massimo, il numero di eventi registrati aumenta rispetto al valore di fondo dovuto al flusso sporadico.

La sperimentazione, tuttora in corso, merita qualche considerazione tecnica.

Come si può verificare “passeggiando” sul web, molte ed eccellenti, oltre che diversificate, sono le sperimentazioni in questo settore, soprattutto condotte da radioamatori. Qui, evidenzieremo gli aspetti peculiari del nostro progetto, tenendo conto dell'esperienza guadagnata durante il lungo e paziente lavoro di analisi dei risultati.

Molta cura è stata dedicata alla costruzione di un ricevitore “ad hoc” (molto stabile, privo di qualsiasi automatismo nel controllo della frequenza e del guadagno), centrato sulla frequenza di 143.050 MHz del trasmettitore radar francese Graves (distante circa 725 km in linea d'aria dalla nostra stazione), che costituisce il polo emittente del radar bi-statico. L'antenna è un semplice dipolo appositamente costruito. Per compensare il suo scarso guadagno è stato inserito un pre-amplificatore ben filtrato.

L'ampio lobo di ricezione del dipolo è un grande vantaggio: se opportunamente orientato rispetto al trasmettitore e collocato ad una giusta altezza dal terreno, consente la ricezione degli echi meteorici senza eccessive restrizioni dal punto di vista dell'orientamento, in sicurezza rispetto agli eventi meteorologici più violenti. Quando un'antenna di questo tipo è abbinata a un ricevitore adatto, ottimizzato nella sua banda passante (solo quella che serve...), seguito da un software di acquisizione degli spettrogrammi opportunamente configurato come Spectrum Lab (eccellente lavoro di Wolfgang Büscher – DL4YHF), i risultati sono ottimi, almeno per gli obiettivi del nostro progetto.

Pur accettando una ridotta sensibilità di antenna, abbiamo potuto verificare come una discreta distanza dal trasmettitore (Graves nel nostro caso), così da impedire la ricezione diretta della sua portante (insieme a tutti i radio-echi spuri collegati anche con il passaggio degli aerei...), insieme ad un ottimo accoppiamento antenna-ricevitore, siano fondamentali per discriminare senza errori le tracce dovute agli eventi meteorici.

Per scelta, si è evitato qualsiasi sistema automatico per il conteggio degli eventi: dopo molte prove, è stato configurato Spectrum Lab per l'acquisizione di entrambi i canali in banda-base I & Q (diretto e in quadratura) del ricevitore (acquisiti da una scheda audio esterna al PC) con reiezione della frequenza immagine, esaltando la risoluzione in frequenza dello spettrogramma e impostando una registrazione automatica e periodica dei dati (uno spettrogramma ogni 3 minuti).

L'utilizzo del software TeamViever consente il controllo remoto del PC di acquisizione, comodamente da casa, con la possibilità di scaricare ogni giorno gli spettrogrammi registrati.

La successiva analisi è visuale: si esaminano pazientemente le singole registrazioni per individuare le “firme”spettrali degli eventi meteorici. Questo modo di procedere, indubbiamente impegnativo rispetto al conteggio automatico, è molto preciso e affidabile (minimizza, soprattutto, il conteggio di “falsi” eventi), anche se richiede un periodo di “rodaggio” iniziale per guadagnare esperienza.

Molto altro ci sarebbe da dire....ne parleremo nei successivi aggiornamenti.

La sperimentazione continua.

 

 Conteggio giornaliero degli eventi radio-meteorici

 

Sono state conteggiate le radio-meteore registrate ogni ora dalla nostra stazione, nell'arco di una giornata. Si vede come il massimo del flusso meteorico avvenga verso le prime ore del mattino, mentre il minimo verso le ore pomeridiane e serali: anche se il numero giornaliero di eventi radio-meteorici è caratterizzato da ampia variabilità diurna, mediamente il rapporto tra il picco del massimo e quello del minimo è dell'ordine di 5. Il numero di eventi osservati durante la giornata sarà massimo durante le prime ore del mattino, quando l'osservatore “impatta” frontalmente con il flusso meteorico a causa del moto di avanzamento della Terra nello spazio.

 

 Echi meteorici più significativi

 

In questo grafico sono stati conteggiati gli echi meteorici più significativi (chiamati genericamente “radio-bolidi”) registrati nell'arco di un mese. Il criterio di classificazione è empirico, basato sull'analisi visuale degli spettrogrammi registrati ogni giorno dalla nostra stazione fissa: tutti gli eventi sono stati conteggiati, mentre sono state salvate solo le immagini degli spettrogrammi che riportano le riflessioni radio più intense e di maggiore durata.

 

Eventi così interessanti meritano, indubbiamente, analisi ben più accurate e complete di quelle mostrate in questa pagina, che devono essere considerate come uno stimolo e un punto di partenza per sperimentare in questa affascinante attività.

Ci preme sottolineare come sia effettivamente semplice ed economico installare una stazione permanente dedicata allo studio degli eventi meteorici attraverso la tecnica Meteor Scatter in banda VHF, attività che può essere coordinata con altri osservatori, sia nel visuale, sia in radio, così da verificare possibili correlazioni di eventi, soprattutto durante i più importanti sciami meteorici dell'anno.

Concludendo, riportiamo alcune animazioni che mostrano, in sequenza, gli eventi radio-meteorici mensili più importanti, come intensità, forma e durata. Queste registrazioni, che aggiorneremo periodicamente, sono molto importanti perché rappresentano le “firme spettrali” dei fenomeni osservati e sono la base per una loro classificazione e interpretazione.

 Echi meteorici più significativi

 

Eventi radio-meteorici Dicembre 2015

Eventi radio-meteorici Gennaio 2016

Eventi radio-meteorici Febbraio 2016

Eventi radio-meteorici Marzo 2016

Eventi radio-meteorici Aprile 2016

Eventi radio-meteorici Maggio 2016

Eventi radio-meteorici Giugno 2016

Eventi radio-meteorici Luglio 2016

 

Eventi radio-meteorici Agosto 2016

 

 

Oltre alla stazione fissa, è stata costruita un'altra stazione ricevente mobile, sintonizzata sempre sulla frequenza 143.050 MHz, utilizzata saltuariamente a scopo dimostrativo durante i periodi di ricorrenza dei principali sciami meteorici.

 stazione ricevente mobile Meteor Scatter operante a 143.050 MHz

 

 stazione ricevente mobile Meteor Scatter operante a 143.050 MHz

 

  Registrazioni di echi meteorici

 Radio-echo meteorico

 

La stazione mobile comprende un'antenna yagi accordata sulla frequenza di 143.050 MHz e posizionata sul tetto di un'autovettura tramite un supporto orientabile. Il ricevitore è del tipo SDR che riceve la tensione di alimentazione direttamente dalla porta USB di un PC portatile utilizzato per l'acquisizione.

L'impianto è molto semplice, pratico ed economico, adatto alle dimostrazioni “sul campo” quando ricorrono i più importanti sciami meteorici dell'anno: è interessante e didatticamente utile mostrare l'evoluzione del fenomeno meteorico nella banda radio in parallelo alle tradizionali osservazioni visuali.

 

 Registrazioni di echi meteorici

 

 Registrazioni di echi meteorici

 

 Registrazioni di echi meteorici

 

Registrazioni di echi meteorici notevoli acquisiti dalla nostra stazione mobile durante lo sciame delle Perseidi 2016.

 

Riportiamo in sequenza gli eventi radio-meteorici più importanti registrati dalla nostra stazione mobile nel mese di Agosto 2016 (Perseidi).

 

 

 

La struttura metallica della Stazione Spaziale Internazionale (ISS) è in grado di riflettere il segnale radio trasmesso dal radar Graves.

Dalle immagini seguenti si vede la riflessione del segnale radio che testimonia il transito della Stazione Spaziale Internazionale (ISS) sopra i cieli marchigiani che si affacciano sul mare Adriatico (Senigallia - Ancona). È chiaramente visibile lo spostamento Doppler in frequenza del segnale riflesso dovuto al movimento dell'oggetto. Poiché l'antenna dell'impianto ricevente (stazione mobile con Yagi a 3 elementi) è orientata verticalmente e collocata a poca distanza dal terreno e in un'area schermata da edifici, il sistema è sensibile solo agli oggetti metallici (o alla scia ionizzata di meteoridi) che transitano in prossimità dello zenit locale.

 

 transito della Stazione Spaziale Internazionale ISS sopra i cieli marchigiani

 transito della Stazione Spaziale Internazionale ISS sopra i cieli marchigiani

 transito della Stazione Spaziale Internazionale ISS sopra i cieli marchigiani